CC BY
59
УДК 62-83:621/.69
Д.В. Волков, ассист., (8636) 22-20-36, siurgtu@itsinpi.ru, Ю.П. Сташинов, канд. техн. наук, доц., проф., (8636) 22-20-36, siurgtu@itsinpi.ru (Россия, Шахты, ШИ (Ф) ГОУ ВПО "ЮРГТУ" (НПИ))
ВЫРАВНИВАНИЕ НАГРУЗОК ДВИГАТЕЛЕЙ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ПРИВОДА ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
Рассмотрены вопросы выравнивания нагрузок в тяговом приводе при использовании двигателей с жесткими механическими характеристиками. Предложена система автоматического выравнивания нагрузок и приведены результаты моделирования ее работы.
Ключевые слова: нагрузки в тяговом приводе, двигатель с жесткими механическими характеристиками, моделирование.
Одним из направлений совершенствования горно-шахтного оборудования является применение на шахтных электровозах асинхронного тягового привода, позволяющего повысить надежность работы электровоза и упростить его техническое обслуживание. Кроме того, применение современного тягового привода позволяет избавиться от таких недостатков традиционного привода с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения, как потери в пусковом реостате (работа шахтного электровоза характеризуется частыми пусками и изменениями режима работы) и сложность поддержания постоянной скорости при работе с малой и отрицательной нагрузкой (отсутствует автоматический переход в тормозной режим).
В то же время, применение асинхронного частотно-регулируемого привода встречает и ряд проблем, одной из которых является распределение тяговых усилий по ведущим осям. Для полного использования сцепной массы электровоза требуется, чтобы все ведущие оси развивали одинаковые тяговые усилия. На практике имеет место неравномерное распределение усилий, которое вызывается как различием механических характеристик самих двигателей, так и неравенством радиусов приведения, вызванным различным износом бандажей ведущих колес. Проблема обостряется при повышении жесткости механических характеристик тяговых двигателей, что является одной из целей применения асинхронного привода.
Таким образом, необходимо принимать специальные меры для устранения неравномерности распределения тягового усилия. Для рассмотрения подобных мер удобно пользоваться тяговыми характеристиками ведущих осей, которые представляют собой механические характеристики двигателей, приведенные к линейному перемещению.
Устранение разности тяговых усилий обычно производят путем воздействия на жесткости либо частоты вращения идеального холостого
хода отдельных тяговых двигателей, однако при этом разность будет отсутствовать лишь при одном определенном значении тягового усилия, и возникать при других его значениях, так как тяговые характеристики ведущих осей будут пересекаться лишь в одной точке. Для обеспечения равномерности распределения тяговых усилий при любой нагрузке потребуется автоматическое регулирование выравнивающего воздействия синхронно с изменениями нагрузки на электровоз. Однако в этом случае возникает проблема ложных срабатываний системы выравнивания, основной причиной которых являются случаи нарушения сцепления колес с рельсами. Нарушение сцепления (боксование) сопровождается падением тягового усилия данной оси, и попытка устранить разность тяговых усилий в этом случае приведет к развитию процесса боксования.
Альтернативным способом является получение одинаковых тяговых характеристик на всех ведущих осях. В этом случае корректирующее устройство должно отрабатывать лишь весьма медленно меняющиеся возмущающие факторы, такие, как изменение износа бандажей, и может быть эффективно отстроено от помех.
Для получения одинаковых тяговых характеристик требуется независимое регулирование частоты вращения идеального холостого хода и жесткости механической характеристики для каждого тягового двигателя. Такое регулирование может быть осуществлено с помощью соответствующих регуляторов, однако это требует оценки параметров тяговой характеристики в реальном времени, что затруднено. В связи с этим требуется искать альтернативные методы регулирования, одним из которых является отслеживание разности тяговых усилий в различных режимах работы привода. Так, в режимах, близких к холостому ходу, влияние жесткости тяговой характеристики минимально, и можно считать, что имеющаяся разность тяговых усилий вызвана лишь различием скоростей идеального холостого хода тяговых характеристик ведущих осей. Следовательно, устранять разность тяговых усилий в режимах, близких к холостому ходу, возможно лишь воздействуя на частоту вращения двигателей. После устранения неравенства скоростей идеального холостого хода следует осуществлять устранение разности тяговых усилий воздействием на жесткости при повышенных нагрузках.
На основе данного принципа предложена функциональная схема устройства автоматического выравнивания тяговых усилий ведущих осей, которая приведена на рис. 1. В ней каждый из преобразователей частоты имеет вход, позволяющий корректировать частоту вращения идеального холостого хода и жесткость механической характеристики. Кроме того, имеется выход наблюдателя тягового усилия данной оси К Последний может быть реализован на основе наблюдения вращающего момента двигателя, измерения тока, потребляемого преобразователем, либо другим способом. Привод каждой ведущей оси снабжен индивидуальным ком-
плектом корректирующих устройств: по частоте вращения идеального холостого хода «корр. œ0» и по жесткости «корр. в». На входы корректирующих устройств подается сигнал разности среднего значения тягового усилия от блока вычисления среднего значения, и тягового усилия данной колесной пары. Кроме того, корректирующие устройства имеют входы разрешения работы, на которые подаются сигналы от релейных элементов РЭ1 и РЭ2, реагирующих на среднее значение тягового усилия. Корректирующие устройства выполнены таким образом, что при отсутствии разрешения от релейного элемента они сохраняют на выходе неизменное значение, а при наличии разрешения работают подобно регулятору по отклонению тягового усилия от среднего значения. При этом для отстройки от помех корректирующие устройства имеют искусственно повышенную инерционность.
Рис. 1. Функциональная схема системы выравнивания тяговых усилий
ведущих осей
При работе электровоза в режиме, близком к холостому ходу, среднее значение тягового усилия осей близко к нулю, в результате элемент РЭ1 разрешает работу корректирующих устройств частоты вращения, изменяющих величины задающих воздействий на входах регуляторов скорости, что приводит к выравниванию скоростей идеального холостого хода тяговых характеристик. С возрастанием нагрузки на электровоз релейными элементами запрещается коррекция по скорости и разрешается коррекция
по жесткости изменением величин коэффициентов усиления регуляторов скорости. Таким образом, предложенная система автоматического выравнивания нагрузок тяговых двигателей относится к классу нелинейных адаптивных систем с переменной структурой и изменяемыми параметрами регуляторов частот вращения электродвигателей.
Для проверки действия предложенной системы было проведено ее математическое моделирование с использованием системы МЛТЬЛБ $>жп-Ипк и следующей системы уравнений (в относительных единицах):
М1* =р1*(^01* — ©1*)
М 2* =Р 2* (©02* —©2*)
М1* = Р1* /1*
М 2* = Р 2* /2*
F\* = а*(ррюр — V*) F2* = a *(р 2*ю 2* — V*)
V* =-(Fi* + F2* — Fq* )
Tj p
где M1*, M 2* - моменты на валах двигателей; Pi*, в 2* - жесткости механических характеристик; ю 01*, ю 02* - частоты вращения идеального холостого хода двигателей; юр, Ю2* - частоты вращения валов двигателей; Pi*, р2* - радиусы приведения; Fi*, F2* - тяговые усилия ведущих осей; a * - коэффициент перевода скорости проскальзывания в тяговое усилие; V* - линейная скорость движения; Tj - механическая постоянная времени; Fq* - сила сопротивления движению.
Математическое описание построено с учётом следующих допущений: механические характеристики двигателей линейны; система имеет одну инерционность, обусловленную массой движущегося состава, остальные пренебрежимо малы; тяговые усилия ведущих осей прямо пропорциональны скоростям проскальзывания (разности между тангенциальной скоростью на ободе колеса и линейной скоростью движения). Схема модели приведена на рис. 2.
В модель введена подсистема «привод», содержащая модель приводов с управляемой частотой вращения идеального холостого хода и жесткостью и преобразование вращающего момента в тяговое усилие колесных пар. К подсистеме присоединена модель механической инерционности состава, имеющего постоянную времени Tm.
Модель системы выравнивания тяговых усилий построена с использованием условно выполняемых подсистем Enabled subsystem, на основе которых реализованы корректирующие устройства b correct и wcorrect. На их входы подается сигнал разности, а на управляющие входы - разрешающий сигнал от релейных элементов b relay и w relay. Выход-
13
ные сигналы корректирующих устройств суммируются с единицей и являются корректирующими коэффициентами для управляющих сигналов подсистемы «привод».
Моделировалось движение поезда в условиях меняющегося сопротивления движению. При этом регистрировались величины суммарного тягового усилия и разности тяговых усилий ведущих осей, а также осуществлялось построение полученных тяговых характеристик. Неравномерность тяговых усилий вызывалась путем установки различных радиусов приведения тяговых осей, что приводило к неидентичности как скоростей идеального холостого хода, так и жесткостей тяговых характеристик ведущих осей.
Рис. 2. Модель в системе МЛТЬЛБ ЗЬтыИнк
На рис. 3 в качестве примера приведены кривые изменения во времени общего тягового усилия (тонкая линия) и разности тяговых усилий ведущих осей (жирная кривая) применительно к двухдвигательному тяговому приводу. Общее тяговое усилие при моделировании циклически изменялось во времени вследствие соответствующего изменения нагрузки. Для наглядности процесс выравнивания нагрузок был начат на 50-й секунде моделирования, до этого имело место значительное неравенство тяговых усилий. Как видно, разность тяговых усилий медленно убывает со
временем, что объясняется искусственно заниженным быстродействием корректирующих устройств. После завершения переходного процесса разность тяговых усилий остаётся близкой к нулю при любых значениях общего тягового усилия. Тяговые характеристики ведущих осей при этом становятся практически идентичными.
Время, с
Рис. 3. Переходный процесс выравнивания тяговых усилий
Проводилось также моделирование при использовании в качестве сигнала тягового усилия колесной пары сигнала момента двигателя. В этом случае переходной процесс протекает аналогично, но по окончании его остается ненулевая разность тяговых усилий, численно равная относительной разности радиусов приведения. Учитывая, что на практике разность диаметров бандажей ведущих колес не превышает нескольких процентов, такую погрешность можно вполне допустить.
Таким образом, предложенная система автоматического выравнивания позволяет получить близкие значения тяговых усилий колесных пар при оборудовании электровоза асинхронным тяговым приводом.
D. Volkov, Yu. Stashinov
Alignment of loadings of engines of an asynchronous traction drive of a mine electric locomotive
The questions of loads equalization in a traction drive, using motors with hard speed-torque characteristics, are considered. The automatic system for loads equalization is proposed and the results of its work simulation are presented.
Keywords: loadings in a traction drive, the engine with rigid mechanical characteristics, modeling.
Получено 06.07.10
