Управление тяговым приводом с двигателями независимого возбуждения на электроподвижном составе переменного тока

Актуальность темы

диссертации. Состояние экономики и развитие социальной сферы Российской Федерации, расположенной на огромной территории, в определяющей степени зависит от функционирования железнодорожной транспортной системы, уровень эффективности которой определяется состоянием железных дорог и качеством подвижного состава.

В условиях реформирования отрасли железнодорожного транспорта в настоящее время одной из важнейших целевых инвестиционных программ является «Стратегия развития транспортного машиностроения Российской федерации в 2007;2010 годах и на период до 2015 года», утвержденной приказам Минпром-энерго России от 18 сентября 2007 года № 391 на основании поручения Правительства РФ от 17 августа 2007 года № СИ-П9−4082.

В связи с интенсивным развитием силовой преобразовательной электронной техники и микропроцессорных систем управления стала возможной разработка новых видов тягового электропривода для электровозов, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели подвижного состава, автоматическое управление режимами их работы, а также снижение затрат в эксплуатации.

На стадии разработки «Стратегии» определены конкретные требования к электроподвижному составу 2015 года:

— повышение производительности локомотива на 18,2%;

— увеличение межремонтного пробега локомотивов в 1,5 раза;

— сокращение удельного расхода электроэнергии на 5%.

При создании новых видов магистральных электровозов с бесколлекторным асинхронным и вентильным (синхронным) электроприводами выявился ряд проблем как в силовой части, так и в системах управления, подтверждением чего являются неудовлетворительные результаты испытаний скоростного электропоезда «Сокол», электропоезда ЭНЗ, электровозов ВЛ80 В, ВЛ80А, ВЛ86Ф, промышлендо го электровоза НПМ2 с отечественным выпрямительно-инверторными преобразователями и системами управления.

Неудачной оказалась и закупка силовых преобразователей с системами управления по импорту и установка их на партии электровозов ЭП10, результаты эксплуатации которой в условиях российских железных дорог не подтвердили их необходимой надежности и эффективности, а технико-экономические расчеты показывают, что электровозы с асинхронным электроприводом импортной комплектации не окупаются за весь срок их службы — 40 лет. Кроме того, оказалась их электромагнитная несовместимость с инфраструктурой железнодорожной сигнализации.

В то же время отечественный электропривод с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД) в настоящее время не вызывает нареканий со стороны эксплуатации. В4 этой связи на период освоения бесколлекторного тягового электропривода представляется целесообразным вернуться к проблеме освоения электровозов с коллекторным электроприводом, обеспечивающим повышение тяговых свойств, в частности, сцепления колес с рельсами. Одним из наиболее эффективных путей ее решения является использование локомотивов, имеющих жесткие характеристики тяговых двигателей с независимым возбуждением, которые по данным различных литературных источников [В.1-В.6] позволяют повысить тяговые свойства локомотивов на (20-^-60) %.

Первые попытки создания таких электровозов относятся к 20-м годам прошлого столетия. Однако из-за ограниченных возможностей техники того времени и особенностей питания тяговых двигателей на электровозах постоянного тока, которые применялись в то время для электрификации железных дорог, эти попытки осуществить не представилось возможным.

С внедрением электрификации железных дорог на переменном токе и использованием полупроводниковой техники появилась возможность решения этой задачи, опираясь на новые принципы преобразования энергии, построения электрических схем и применения новых алгоритмов и способов управления независимым возбуждением ТЭД.

Опыт эксплуатации электровозов переменного тока ВЛ60К, ВЛ80Т, ВЛ80Р, ВЛ84, оборудованных системами электропривода независимого возбуждения, опытные поездки с электровозами постоянного тока ВЛ8 и ВЛ10, снабжёнными системой смешанного питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, а также ВЛ11, ВЛ12 и ВЛ15 с двигателями независимого возбуждения, показали высокие тягово-эксплуатационные качества этих электровозов, которые не могут быть достигнуты при последовательном возбуждении.

Вместе с тем при испытаниях и эксплуатации этих электровозов возникли вопросы, требующие совершенствования электровозов с независимым и смешанным возбуждением. К числу таких вопросов относятся: выравнивание токов ТЭД, параллельно нагруженных в электрическом и механическом отношениях, выбор и обоснование критериев, определяющих моменты начала боксования и юза колесных пар электровоза, объективное сравнение эффективности различных систем возбуждения ТЭД, требования к противобоксовочным системам, критерии их целесообразности и др. [В.1-В.5]. И, как показала практика, путь решения возникающих задач непосредственно на электровозах оказался слишком трудоемким, дорогостоящим и недостаточно эффективным, подтверждением чего являются неудовлетворительные результаты эксплуатации крупной партии переоборудованных под независимое возбуждение ТЭД на электровозах ВЛ60К и двух электровозов ВЛ80Т, большое количество которых вышло из строя и эксперимент был прекращен. При использовании электровозов ВЛ84 и ВЛ85 с независимым возбуждением ТЭД так же выявился ряд проблем, особенно с выравниванием нагрузок, алгоритмом управления и задания тока возбуждения относительно тока якоря, особенно при движении на высоких скоростях и др.

В этой связи представляется целесообразным на других принципах проанализировать особенности тягового двигателя, как объекта управления в замкнутой системе электропривода и системы управления, и выбора целесообразных алгоритмов управления моментом и скоростью движения, что составляет главную задачу управления силой тяги локомотива, с применением математических обоснований и математического моделирования на стадии проектных проработок в стационарных режимах работы и, в особенности, при исследовании нестационарных процессов, протекающих в узлах и системах локомотива. По результатам моделирования предложить 2−3 наиболее подходящих варианта для исследований непосредственно на электровозе. В этой связи представляется целесообразным привести слова Леонардо да Винчи: «Ни одной достоверности нет в науках там, где нельзя приложить ни одной из математических наук, и в том, что не имеет связи с математикой».

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование способов управления коллекторными ТЭД с независимым возбуждением, обеспечивающих улучшение тягово-эксплуатационных качеств и повышение производительности электровозов переменного тока, а также алгоритмов управления ТЭД с использованием, в том числе, математического моделирования.

Для их достижения были поставлены и решены следующие задачи:

— теоретически обосновать целесообразные алгоритмы управления моментом тягового электропривода при независимом возбуждении тяговых двигателей;

— разработать методику математического моделирования управления моментом многомоторного тягового электропривода при независимом возбуждении тяговых двигателей;

— провести на математических моделях компьютерное исследование статических и динамических процессов в системе многомоторного тягового электропривода при независимом возбуждении, в пределах допустимых разбросов механических характеристик тяговых двигателей.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и ОАО «ВЭлНИИ в рамках реформирования отрасли железнодорожного транспорта в соответствии с целевой инвестиционной программой «Стратегия развития транспортного машиностроения Российской Федерации в 2007;2010 годах и на период до 2015 года», утвержденной на основании поручения Правительства РФ от 17 августа 2007 года № СИ-П9−4082 и соответствует планам сотрудничества ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) с ООО «ПК «НЭВЗ» и ОАО «ВЭлНИИ».

Общая методика исследований. Методической и теоретической базой диссертации являются публикации отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области коллекторного тягового электропривода, применяемого на электроподвижном составе железных дорог, устройств преобразования электрической энергии в механическую и исследования динамических процессов в части влияния взаимодействия бандажей колесных пар локомотива с рельсами железнодорожного пути на эффективность управления движением электроподвижного состава (ЭПС).

При решении поставленных в диссертации задач использовались методы теории электрических цепей, электрических машин, математического и графического анализа, математического моделирования и компьютерного исследования с использованием специализированного комплекса программ.

Научная новизна. В работе получена и показана достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждённых корректностью разработанных расчётных схем и математических моделей, с применением современных методологических научных принципов для их исследования, приемлемой сходимостью результатов теоретических и практических исследований. При этом:

— разработано теоретическое обоснование новых алгоритмов управления моментом тягового электропривода с коллекторными ТЭД независимого возбуждения на ЭПС переменного тока;

— математически и графически обоснованы и показаны возможные случаи потери управления движением ЭПС при независимом возбуждении ТЭД, обусловленное некоторыми сочетаниями напряжения на двигателе, частоты вращения якоря и тока возбуждения, что в числе других причин приводило к неудачным попыткам применить этот вид возбуждения на электровозах переменного тока;

— теоретически показано, что устойчивая работа электропривода постоянного тока с независимым возбуждением в режимах тяги на высоких скоростях движения электровозов переменного тока может быть обеспечена путём применения алгоритмов, при которых регулирование силы тяги производится путём изменения напряжения на якорях тяговых двигателей, а цепь возбуждения используется исключительно для целей адаптации двигателей к условиям движения и напряжению в контактной сети;

— создана обобщенная методика математического моделирования процессов в статических и динамических режимах в системе многомоторного тягового электропривода при независимом возбуждении тяговых двигателей, в пределах допустимых норм разброса механических характеристик тяговых двигателей;

— показана необходимость и исследована эффективность применения системы выравнивания нагрузок ТЭД на электровозах;

— путем математического моделирования впервые выполнены исследования статических и динамических процессов в системах тягового электропривода при независимом возбуждении тяговых двигателей.

Практическая ценность. Разработана система автоматического регулирования электроприводом ЭПС с ТЭД НВ, в которой основным каналом управления является напряжение на якоре, а канал возбуждения используется для адаптации объекта управления к текущим условиям во всех режимах его работы, в том числе наиболее сложных при высоких скоростях движения.

Показано преимущество индивидуального независимого возбуждения, которое позволяет адекватно реагировать на любые электрические и механические изменения (в том числе внезапные) по напряжению в контактной сети, переходным электрическим процессам в силовой схеме электровоза и в сцеплении колёсных пар локомотива с рельсами (боксование, юз и др.), а также на ударные воздействия.

Разработаны математические модели и методики исследований систем с НВ, которые позволяют на стадии проектных разработок давать рекомендации по применению независимого возбуждения от индивидуальных возбудителей на каждый тяговый двигатель.

Показано, что индивидуальное НВ ТЭД наряду с повышением. тяговых свойств ЭПС позволяет применить низковольтные, многовитковые, малоамперные катушки возбуждения, обеспечивающие существенное снижение расхода дорогостоящей электрической корпусной изоляции, трансформаторной э.д.с. в коммутируемых секциях якорей и соответствующее снижение искрения под щетками, износа и подгаров коллекторов и щеток, круговых огней по коллектору, как в режимах тяги, так и в режимах рекуперации, а так же снижение пульсации вращающего момента тяговых двигателей, провоцирующих боксование и юз колесных пар.

Обоснованы пути и средства существенно повысить вес поездов за счет значительного улучшения коэффициента сцепления бандажей колесных пар с рельсами железнодорожного пути [В.1-В.2].

При внедрении независимого возбуждения отпадает необходимость в применении на электроподвижном составе ряда наименований силовой и коммутирующей аппаратуры: реверсоров, контакторов, разъединителей и др. А при индивидуальном независимом возбуждении, например 8-миосном электровозе, высвоо бождается 8,1 м объёма и 3380 кг электротехнического оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— заседании научно-технического совета ОАО «ВЭлНИИ» (2009 г.);

— 58-й научной конференции Южно-российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт) [ЮРГТУ (НПИ)] (2009 г.);

— на расширенном заседании кафедры «Электромеханика» факультета электромеханики, мехотроники и технологических машин ЮРГТУ (НПИ) (2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 8 печатных работ в том числе 4 в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК. Получен 1 патент на изобретение 1Ш 234 494С1 «Способ управления электромагнитным моментом тяговых двигателей постоянного тока на электроподвижном составе».

Выводы по главе 5.

1. Предложена реализация математического моделирования управления электроприводом с тяговыми двигателями при индивидуальном независимом возбуждении на электровозах переменного тока с использованием системы моделирования ОгСа<1.

2. Предложенные основные фрагменты структурной схемы позволяют на математических моделях имитировать: регулирование токов якорей и возбуждения, индивидуальных для каждого двигателя и нагрузки для каждой колёсной парывыделение сигналов боксования из токов якорейопределение ограничителей параметров тягового электропривода Дано описание их функционирования.

3. Предложенные методика и программа тестирования математической модели позволяют посредством компьютерного математического моделирования отрабатывать устойчивость работы многомоторного тягового электропривода, не прибегая к трудоёмким и материалозатратным исследованиям непосредственно на электровозах и других видах электроподвижного состава.

4. Адекватность модели подтверждена путём тестирования её в режимах, хорошо известных из практики вождения поездов, анализа полученных результатов и сравнения их с результатами, также известными из практики.

5. Результаты компьютерного тестирования подтвердили эффективность системы выравнивания нагрузок с индивидуальным независимым возбуждением каждого тягового двигателя. Показано, что индивидуальное независимое возбуждение при нарушении системы выравнивания нагрузок допускает более широкий разброс электромеханических характеристик тяговых двигателей и диаметров бандажей колёсных пар на одном экипаже, чем это принято в настоящее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Дано математическое описание процессов управления моментом коллекторного тягового электропривода при независимом возбуждении на электровозах переменного тока.

2. Аналитически показаны случаи потери возможности управления движением ЭПС при независимом возбуждении ТЭД, обусловленные некоторыми сочетаниями напряжения на якоре, скорости и тока возбуждения, что в числе других причин приводило к неудачным попыткам применить это возбуждение на электровозах переменного тока.

3. Показано, что устойчивая работа электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режимах тяги может быть обеспечена путём изменения напряжения на якорях тяговых двигателей, а цепь возбуждения должна использоваться для целей адаптации двигателей к условиям движения и изменениям напряжения в контактной сети.

4. Теоретически показано, что дифференциальный коэффициент передачи прямой цепи авторегулирования моментом посредством изменения напряжения на якоре при независимом возбуждении не зависит от параметров режима, а изменяется пропорционально току возбуждения.

5. При малой скорости движения ток возбуждения достаточно удерживать неизменным на уровне номинального или максимально возможного значения, а на большой скорости слежение за устойчивостью работы тягового электропривода удобно вести по углу регулирования ВИПа, чтобы он значительно не отличался от заданного значения, что обеспечит возможность регулирования момента посредством напряжения на якоре.

6. Путём сравнения жёсткостей механических характеристик двигателей теперь и математически доказано значительное преимущество независимого возбуждения перед последовательным.

7. Групповое возбуждение тяговых двигателей в многомоторном электроприводе снижает суммарное тяговое усилие, приводит к перегреву отдельных двигателей и повышает вероятность боксования или юза наиболее нагруженных колесных пар, требует для выравнивания нагрузок применения дорогостоящего дополнительного электрооборудования. Поэтому для выравнивания нагрузок целесообразно применение индивидуальных возбудителей для каждого тягового двигателя.

8. Применение схемы с индивидуальным независимым возбуждением тяговых двигателей позволит выполнять цепи возбуждения с пониженным напряжением питания, вывести из силовых схем ряд дорогостоящего высоковольтного электротехнического оборудования и снизить материальные затраты в обмотках возбуждения.

9. Дано математическое описание соотношений моментов, токов якорей, и токов возбуждения тяговых двигателей постоянного тока с индивидуальным независимым возбуждением в многомоторном тяговом электроприводе.

10. Разработан и предложен алгоритм управления моментами тяговых двигателей с индивидуальным независимым возбуждением в многомоторном тяговом электроприводе.

11. Разработана структурная схема для выполнения математического моделирования в системе ОгСаё процессов управления электроприводом с тяговыми двигателями при индивидуальном независимом возбуждении на электровозах переменного тока.

12. Результаты компьютерного тестирования показали, что индивидуальное независимое возбуждение при наличии системы выравнивания нагрузок допускает более широкий разброс электромеханических характеристик тяговых двигателей и диаметров бандажей колёсных пар на одном экипаже.

13. Технико-экономические характеристики электровозов с коллекторными тяговыми двигателями независимого возбуждения показывают целесообразность их внедрения на ближайшую перспективу благодаря низкой цене и высоким техническим эксплуатационным характеристикам.