Принципы автоматического управления системами взаимного нагружения тяговых электрических машин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.001.4

АФАНАСОВ А.М., доцент (Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта им. академика В. Лазаряна)

Принципы автоматического управления системами взаимного нагру-жения тяговых электрических машин

Характер управления параметрами взаимного нагружения тяговых электромашин при их приёмо-сдаточных (послеремонтных) испытаниях во многом определяет как качество самих испытаний, так и общие экономические затраты на их проведение. Существует ряд вариантов систем взаимной нагрузки электромашин, применение которых в ручном режиме регулирование крайне затруднено из-за проблем с их электромеханической устойчивостью. Вопросы, связанные с принципами автоматического регулирования режимами испытаний тяговых электромашин по методу взаимной нагрузки, требуют отдельного рассмотрения.

В соответствии с ГОСТ 2582-81 система автоматического управления стендом взаимного нагружения тяговых электрических машин должна обеспечивать [1]:

- стабилизацию напряжения на электромашине, работающей двигателем;

- стабилизацию тока электрической машины, работающей двигателем;

- стабилизацию частоты вращения валов;

- защиту от перегрузок по всем трём управляемым параметрам.

Жесткость данных требований для различных режимов испытаний тяговых электромашин самим ГОСТ 2582-81 не оговаривается и является предметом отдельного исследования.

Все три параметра, стабилизация которых требуется в различных режимах испытания тяговых электромашин, связаны между собой известными уравнениями:

(1)

ид = сФд™д + 7д • Кд

Ur = сФгюг + 1г • Rг,

(2)

где ид, Uг - напряжения на испытуемых двигателе и генераторе;

Фд, Фг - магнитные потоки двигателя и генератора;

Юд, Юг - скорости вращения якорей двигателя и генератора;

1д, 1г - токи якорей двигателя и

генератора;

Rд, - активные сопротивления

обмоток двигателя и генератора;

С - конструктивная постоянная электромашины.

Необходимо отметить, что система взаимного нагружения представляет собой объект регулирования с внутренними связями, объединяющими все параметры, входящие в (1) и (2).

Для выполнения программы испытаний тяговых электромашин необходимо обеспечение условий протекания токов якорей, вращения валов, а также наличия определённого напряжения на коллекторах [2]. Учитывая то, что три регулируемых параметра каждой из испытуемых электромашин в стационарном режиме взаимного нагружения жёстко связаны между собой, система управления стендом должна быть двухконтурной. Первый контур должен обеспечивать стабилизацию тока якоря испытуемого двигателя. Второй контур должен обеспечивать стабилизацию либо напряжения на испытуемом двигателе, либо частоты вращения его вала. При проведении испытаний на нагревание не имеет принципиального значения, какой из данных параметров будет стабилизирован.

Проверку частоты вращения ГОСТ 2582-81 требует проводить при номинальных значениях напряжения и тока испы-

туемого двигателя. Обеспечение постоянства нужного значения напряжения на тяговом двигателе для проведения данной проверки в системах со стабилизацией угловой скорости не представляет трудности.

Объектом регулирования в системах управления стендами взаимного нагруже-ния любого варианта являются испытуемые электромашины, объединенные в общую электромеханическую систему.

Управляемыми параметрами в контурах стабилизации являются: сила тока в обмотке якоря испытуемого двигателя, напряжение на испытуемом двигателе либо частота вращения его якоря.

В системах с параллельным включением источника электрической мощности (источник напряжения) целесообразным является стабилизация напряжения с ограничением тока в параллельной ветви (подчиненное регулирование).

В остальных вариантах систем взаимного нагружения наиболее рациональным является стабилизация угловой скорости вращения якоря двигателя. Это связано с тем, что механическая часть системы взаимного нагружения является более инерционной, чем электрическая часть, а напряжение на испытуемых электромашинах в таких системах является параметром, определяемым частотой враще-

зт

и

зт

ЗС Д и >

м-

и

дт

ния якорей. При стабилизации угловой скорости колебательные процессы в системе автоматического регулирования будут менее вероятны, чем при стабилизации напряжения.

Рассмотрим общие принципы управления системами взаимного нагру-жения с различными способами компенсации потерь мощности. В качестве систем автоматического управления будем рассматривать астатические замкнутые системы с отрицательной обратной связью, реализующие принцип регулирования по отклонению. Использование таких систем для стабилизации напряжений, токов и частот вращения является наиболее рациональным.

1. Прямой способ компенсации электрических потерь. Данный способ реализуется за счет включения в последовательный электрический контур испытуемых электромашин внешнего источника электрической мощности (источника напряжения) [2].

Функциональная схема контура стабилизации тока приведена на рис. 1. Контур включает в себя задатчик тока ЗТ, звено сравнения ЗС, управляющий элемент УЭ, источник напряжения ИН, электрический контур испытуемых электромашин ЭМ и датчик тока ДТ.

АЕ

УЭ Му> ИН ч ЭМ

дт

Рис. 1. Функциональная схема контура стабилизации тока

Управляющей координатой в данной величину напряжения источника ии и, в

системе является напряжение на задатчи- свою очередь, связано с напряжением рас-ке тока изт, а управляемой к°°рдинатой - согласования Ли принятым законом ре-

ток якоря испытуемого двигателя 1д. гулирования.

Напряжение управления Иу определяет

Аи = изт - идт. (3)

Внешними воздействиями для данного контура регулирования является приведенная небалансная э.д.с. якорей испытуемых генератора и двигателя АЕ и суммарное сопротивление обмоток электромашин ХК.

Значение ХК растёт с течением времени тепловых испытаний и может считаться практически постоянной при проверках частоты вращения и коммутации. Небалансная э.д.с. АЕ - величина, имеющая характер варьирования, зависящий от варианта схемы взаимного нагружения, в том числе - от принятого

способа компенсации потерь холостого хода.

2. Прямой способ компенсации потерь холостого хода. Данный способ реализуется путем использования внешнего источника механической мощности (дополнительного двигателя), соединенного с валами испытуемых электромашин [2].

Функциональная схема контура стабилизации угловой скорости вращения приведена на рис. 2. Контур включает в себя задатчик угловой скорости ЗУС, звено сравнения ЗС, управляющий элемент УЭ, источник момента ИМ (дополнительный двигатель), роторы испытуемых электромашин ММ (механическая часть машин) и датчик угловой скорости ДУС.

Рис. 2. Функциональная схема контура стабилизации угловой скорости

Управляющей координатой в данной системе является напряжение задатчика скорости изс, а управляемой координатой - угловая скорость вращения вала двигателя Юд. Напряжение управления и у

определяет величину механического момента Ми, развиваемого источником момента ИМ и, в свою очередь, связано с напряжением рассогласования Аи принятым законом регулирования.

Аи

и

зс

и

дс

(4)

Внешним воздействием для данного контура регулирования является момент сопротивления АМхх, приведенный к

валу двигателя и обусловленный потерями холостого хода.

3. Косвенный способ компенсации электрических потерь. Такой способ заключаются в создании небалансной положительной э.д.с. в электрическом контуре последовательно включенных обмоток испытуемых электромашин [3].

Электрические потери компенсируются либо источником механической мощности, либо параллельно включенным источником электрической мощности. В обоих случаях добавочная мощность дополнительного источника преобразуется из механической в электрическую в испытуемом генераторе. В случае использования параллельного источника напряжения его добавочная электрическая мощность

предварительно преобразовывается в механическую испытуемым двигателем.

Универсальная функциональная схема контура стабилизации тока для систем с косвенным способом компенсации электрических потерь приведена на рис. 3.

Контур включает в себя задатчик тока ЗТ, звено сравнения ЗС, управляющий элемент УЭ, регулятор небалансной э.д.с. РНЭ, электрический контур испытуемых электромашин ЭМ и датчик тока ДТ.

Рис. 3. Универсальная функциональная схема контура стабилизации тока

Управляющей координатой является напряжение на задатчике тока изт, а управляемой координатой - ток якоря испытуемого двигателя 1д.

Напряжение рассогласования Ли определяется выражением (3) и связано с управляющим воздействием и у принятым законом регулирования.

Внешним воздействием для данного контура регулирования является суммарное сопротивление обмоток испытуемых электромашин .

В качестве регулятора небалансной э.д.с. РНЭ в зависимости от варианта схемы взаимного нагружения используется: регулятор поля, механический вариатор, конвертор напряжения (тока), источник угловой скорости [3]. Путем изменения напряжения и у, в соответствии с принятым вариантом, системой автоматического управления могут регулироваться: разница магнитных потоков испытуемых электромашин, передаточное число вари-

атора, коэффициент передачи по напряжению (току) конвертора, величина добавки угловой скорости источника.

4. Косвенные способы компенсации потерь холостого хода. Такие способы заключаются в создании положительного небалансного электромагнитного момента испытуемого двигателя. Сами потери холостого хода компенсируются либо источником напряжения, включенным последовательно, либо источником угловой скорости. При этом добавочная мощность дополнительного источника преобразуется из электрической в механическую в испытуемом двигателе. В случае использования источника угловой скорости, его добавочная механическая мощность предварительно преобразуется в электрическую в испытуемом генераторе.

Универсальная функциональная схема контура стабилизации угловой скорости для систем с косвенным способом компенсации потерь холостого хода приведена на рис. 4.

Рис. 4. Универсальная функциональная схема контура стабилизации угловой скорости

Контур включает в себя задатчик угловой скорости ЗУС, звено сравнения ЗС, управляющий элемент УЭ, регулятор небалансного электромагнитного момента РНМ, роторы испытуемых электромашин ММ и датчик угловой скорости ДУС.

Управляющей координатой является напряжение задатчика угловой скорости изс , а управляемой координатой - угловая

скорость вала испытуемого двигателя Юд.

Напряжение рассогласования Аи определяется выражением (4) и связано с напряжением управления и у принятым

законом регулирования.

Внешним воздействием для данного контура регулирования является момент сопротивления АМхх.

В качестве регулятора небалансного электромагнитного момента в зависимости от варианта схемы взаимного нагру-жения используется: регулятор поля, механический вариатор, конвертор напряжения (тока), параллельный источник напряжения.

Изменением напряжения иу в системе автоматического управления регулируется разница магнитных потоков испытуемых электромашин, передаточное число вариатора, коэффициент передачи конвертора напряжения (тока), напряжение параллельно включенного источника.

Вариант компенсации потерь холостого хода источником напряжения, включенным параллельно испытуемому

двигателю, требует отдельного рассмотрения.

5. Компенсация потерь холостого хода источником напряжения, включенным параллельно. При данном способе компенсации потерь небалансная электромагнитная мощность испытуемых электромашин создаётся за счет подпитки обмотки якоря испытуемого двигателя током параллельного источника электрической мощности [2]. Как правило, такой источник называют линейным генератором (преобразователем).

Строго говоря, исходя из электромеханических принципов обеспечения взаимной нагрузки электромашин [4], данный источник электрической мощности должен быть источником тока. Учитывая тот факт, что потери холостого хода не зависят от температуры перегрева обмоток электрической машины, стабилизация частоты вращения при стабилизированном токе в последовательном контуре обмоток испытуемых электромашин может быть достигнута путем обеспечения постоянства тока параллельного источника. При этом в цепи обратной связи системы автоматического управления используется датчик тока параллельного источника электрической мощности. Это в значительной степени смягчает характер протекания переходных и аварийных процессов в системе взаимного нагружения.

Широкое распространение систем взаимной нагрузки с параллельным источником напряжения объясняется, преж-

де всего, простотой ручного регулирования напряжения на испытуемых электромашинах.

По своей сути такой источник является стабилизатором напряжения. Как правило, это генератор постоянного тока с многократным запасом мощности, приводимый во вращение асинхронным двигателем. Жесткость характеристики асинхронного двигателя и насыщенность магнитной системы генератора обеспечивают удовлетворительную стабилизацию напряжения на испытуемых электромашинах. При переходных процессах электромашинный источник может переходить в двигательный режим и допускает многократные кратковременные перегрузки по току. При использовании статического преобразователя стабилизация напряжения на его выходе требует высокой степени защиты данного источника от перегрузок при переходных и аварийных процессах.

Как показывает опыт эксплуатации испытательных станций, появление кругового огня на одной из испытуемых электромашин практически всегда влечет за собой круговой огонь на коллекторе линейного генератора. Выход из строя линейного генератора - нередкий случай в опыте эксплуатации испытательных станций без применения специальной токовой защиты в цепи параллельного источника напряжения.

На рис. 5 приведена функциональная схема контура стабилизации угловой скорости для систем взаимного нагружения с параллельным источником. Контур включает в себя задатчик тока подпитки якоря испытуемого генератора ЗТП, звено сравнения ЗС, управляющий элемент УЭ, источник напряжения ИН, электрический контур испытуемых электромашин ЭМ, их механическая часть (роторы) ММ и датчик тока подпитки ДТП.

Маа

Рис. 5. Функциональная схема контура стабилизации угловой скорости

Управляющей координатой является напряжение на задатчике тока изт, а управляемой координатой - ток параллельного источника /п, который в статическом режиме определяет угловую скорость Юд.

Напряжение управления и у определяет величину напряжения ип на выходе источника и связано, в свою очередь, с напряжением рассогласования Ам принятым законом регулирования. Напряжение Ам определяется выражением (3).

Внешними воздействиями для рассматриваемого контура регулирования являются приведенная небалансная э.д.с. якорей АЕ и суммарное сопротивление обмоток испытуемых электромашин ХЯ . Суммарный момент сопротивления ^АМхх является внешним воздействием для прямой части функциональной схемы, включающей звено ММ. Зависимость ^АМхх (Юд) и определяет статическую характеристику Юд (/п ), которая для данной испытуемой электромашины является однозначной.

Предложенные функциональные схемы систем автоматической стабилизации параметров тяговых электрических машин при их испытаниях по методу взаимной нагрузки позволяют применять системы взаимной нагрузки электромашин, обеспечение устойчивости которых при ручном управлении представляет существенную проблему [2].

Список литературы

1. ГОСТ 2582-81. Машины электрические вращающиеся тяговые/ Государственный стандарт СССР. - М.: Издательство стандартов, 1981. -50с.

2. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 408 с.

3. Афанасов А. М. Энергетические принципы обеспечения взаимной нагрузки электрических машин постоянного тока / А. М. Афанасов // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2009. - Вип. 26. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2009. - 34-38.

4. Афанасов А. М. Электромеханические принципы обеспечения взаимной нагрузки электрических машин постоянного тока / А. М. Афанасов // Вюник

Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2009. - Вип. 27. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2009. - С. 42-46.

Анотацн:

Розглянуто принципы автоматичного керу-вання системами взаемного навантаження тягових електричних машин при р1зних способах компен-сацп електричних втрат та втрат холостого хода.

Ключовi слова: випробування, взаемне на-вантаження, тягова електрична машина, автомати-чне керування, електричш втрати, втрати холостого хода.

Рассмотрены принципы автоматического регулирования системами взаимного нагружения тяговых электрических машин при различных способах компенсации электрических потерь и потерь холостого хода.

Ключевые слова: испытание, взаимная нагрузка, тяговая электрическая машина, автоматическое управление, электрические потери, потери холостого хода.

Principles of automatic control of the mutual loading of hauling electric machines the systems are considered at the different ways of indemnification of electric losses and losses of idling.

Keywords: test, mutual loading, hauling electric machine, automatic control, electric losses, losses of idling.