СЦБИСТ - железнодорожный форум, блоги, фотогалерея, социальная сеть
Вернуться   СЦБИСТ - железнодорожный форум, блоги, фотогалерея, социальная сеть > Уголок СЦБИСТа > Книги и журналы > Wiki > xx2

Ответ   m.scbist.com - мобильная версия сайта  
 
В мои закладки Подписка на тему по электронной почте Отправить другу по электронной почте Опции темы Поиск в этой теме
Старый 12.06.2019, 09:31   #1 (ссылка)
Crow indian
 
Аватар для Admin


Регистрация: 21.02.2009
Возраст: 40
Сообщений: 26,666
Поблагодарил: 393 раз(а)
Поблагодарили 5658 раз(а)
Фотоальбомы: 2570
Записей в дневнике: 424
Репутация: 126067
По умолчанию

[03-2019] Тяговый и вспомогательный привод локомотивов с асинхронными двигателями


Тяговый и вспомогательный привод локомотивов с асинхронными двигателями


Причины проблем и предлагаемые пути их решения

A. С. КОСМОДАМИАНСКИЙ, д-р техн, наук, заведующий кафедрой «Тяговый подвижной состав» РУТ (МИИТ) B. И. ВОРОБЬЁВ, А.А. ПУГАЧЁВ, кандидаты технических наук, доценты БГТУ

Не секрет, что внедрение локомотивов с асинхронным тяговым приводом на современной элементной базе сталкивается с определенными трудностями.

В статье рассмотрен системный подход к экспериментальному исследованию характеристик тягового и вспомогательного электроприводов локомотива с асинхронными двигателями, представлена методика проведения исследований тягового и вспомогательного электроприводов локомотива на физических моделях как комплексной процедуры.

Для управления электроприводами и регистрации параметров используется современная программная и аппаратная платформа. Сбор информации, ее обработка и анализ возможны как во время исследований, так и после. Приведены количественные показатели погрешностей моделирования. Показаны результаты экспериментальных исследований процессов нагрева и охлаждения асинхронного двигателя при его питании от преобразователя частоты с системой скалярного управления с IR-компенсацией в режиме с низкими частотами вращения.


При исследовании тягового электропривода необходимо совместно рассматривать работу силовой электрической, управляющей и механической частей с учетом энергетических и тепловых процессов, а также процессы в контакте колесо-рельс, так как в тяговом электроприводе современного локомотива они интегрируются в одно целое, установившиеся, и переходные процессы в них взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Однако исследование единой управляемой электромеханической системы тягового электропривода возможно только на основе мощной теоретической базы, созданной при анализе отдельных подсистем. Структура комплексной модели тягового электропривода представлена на рис. 1.

Электромеханическая модель электропривода предназначена для математического описания электромагнитных процессов в двигателе и силовом преобразователе: вычисление напряжений, токов, потокосцепле-ний, а также координат механического движения электропривода (электромагнитного момента, скорости) с учетом системы автоматического регулирования и реализуемых ею законов управления двигателем.

Вопросы нагрева и перегрева обмоток электродвигателя требуют более детального изучения распределения температур в них, поскольку, например, для изоляции класса «Н» восьмиградусное отклонение температуры обмоток в большую сторону приведет к двукратному снижению ресурса по сравнению с расчетным [1].

Кроме того, что превышения температуры могут приводить к необратимым повреждениям обмоток, необходимо также определять влияние температуры обмоток на изменение параметров систем управления тяговыми асинхронными двигателями в передачах мощности локомотивов. Очевидно, что для создания экономичных энергетических систем локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями не учитывать влияние теплового состояния обмоток двигателя на алгоритм частотного управления нельзя. Тем более, если в качестве системы управления применяется векторное управление или прямое управление моментом, в которых используется оценка активных сопротивлений обмоток статора и ротора.


Так, в работе [2] показано, что из-за использования операции интегрирования при вычислении потокосцепления статора система прямого управления моментом очень чувствительна к значению активного сопротивления статора, и при ошибке расчета этого сопротивления более чем на 1 % показатели качества регулирования частоты вращения резко ухудшаются. При большем увеличении ошибки система может потерять устойчивость.

Увеличение потерь с ростом температуры неизбежно ведет к снижению КПД: при возрастании температуры в диапазоне 0... 180 °C КПД снижается с 89 до 77 % соответственно. Одновременно уменьшается и момент на валу двигателя.

Для реализации тяговых свойств электропривода необходимо в полной мере также учитывать температурное состояние тягового асинхронного двигателя. Кроме этого, одним из резервов повышения экономичности локомотива и увеличения мощности для тяги является снижение затрат мощности на вспомогательные нужды.

Анализ выполненных исследований надежности предельно нагруженного оборудования тепловозов и электровозов [1] свидетельствует о необходимости ввода бортовых систем контроля температуры, дающих информацию о тепловом состоянии оборудования непосредственно в эксплуатации и обеспечивающих благодаря этому более полный и точный диагноз и прогноз состояния оборудования.

Для повышения надежности тягового подвижного состава необходимо введение такой системы контроля температуры предельно нагруженного оборудования, которая соответствует принципам многоко-ординатности, непрерывности и многоуровневое™.

Принцип многокоординатности предполагает контроль температуры достаточно большого количества наиболее «уязвимых» узлов и элементов тяговых и вспомогательных электрических машин переменного тока (статорные обмотки, ротор, подшипники) и постоянного тока (якорь, компенсационная обмотка, моторно-осевые и моторноякорные подшипники), выпрямительных и инверторных установок, а также трансформаторов и дросселей в случае их наличия.

Принцип непрерывности предполагает непрерывный или дискретный, с достаточным периодом по времени, объективный контроль температуры лимитирующих элементов оборудования. Это обеспечивает получение своевременной информации о перегреве оборудования и возможность адекватной реакции на него локомотивной бригады (защитной аппаратуры), исключающей повреждения или ускоренный износ (старение) оборудования во всех эксплуатационных случаях, в том числе и тех, когда температура нарастает до критического значения в течение десятков секунд и менее.

В силу сказанного встает задача комплексного сочетания и взаимной связи тягового и вспомогательного электроприводов. В связи с этим подготовка информации для научно обоснованного принятия решения по применению электроприводов с различными системами управления и характеристиками с учетом необходимости реализации своих свойств и минимизации энергетических потерь является актуальной задачей для транспортных систем в целом и подвижного состава в частности.


Для испытаний и оптимизации новых систем регулирования тягового привода существует несколько возможностей:

■ цифровое моделирование всей системы тягового привода;

■ проверка аппаратного и программного обеспечения путем аналогового или цифрового моделирования испытательных участков в реальном времени;

■ использование испытательных стендов и полигонов;

■ испытания отдельных компонентов или единиц подвижного состава в целом на катковых или нагрузочных стендах;

■ опытные поездки на линии.

Динамика стенда должна отвечать всем требованиям, которые вытекают из закона подобия, применяемого в механике.

Преимущество стендовых испытаний перед натурными заключается в том, что стенд приспособлен для исследования экстремальных динамических нагрузок. Благодаря этому возможны испытания с рабочими точками, расположенными на неустойчивых участках характеристики сцепления, и новыми системами регулирования. При этом отсутствуют ограничения, связанные с опасностью повреждения компонентов тягового тракта.

Другое преимущество заключается в том, что при испытаниях воспроизводимы все режимы, возникающие при работе тягового привода.

Еще одним преимуществом стенда перед измерительными поездками локомотива является простота подключения измерительных датчиков в тракте тягового привода.


Тем не менее, для достижения максимальной эффективности проведения стендовых исследований необходимо решить целый ряд задач:

- возможность использования многопоточного способа сбора данных с датчиков разных типов;

- сбор и запись информации в режиме реального времени, синхронизация потоков данных;

- возможность проведения программной обработки поступающих данных (математическая статистика, фильтрация сигналов, корректировка входных параметров и т.д.);

- наглядность и простота при получении, анализе и обработке информации.

Авторами статьи была разработана и изготовлена физическая модель тягового и вспомогательного электроприводов (рис. 2, 3), которую можно условно разделить на следующие подсистемы: силовая часть; подсистема измерения электрических, механических и тепловых параметров; подсистема сбора данных и управления электроприводом.

Силовая часть состоит из асинхронного двигателя АД 1 (двигатель 4А112МВ6УЗ мощностью 4 кВт), приводящего во вращение центробежный вентилятор охлаждения ЦБ (асинхронный двигатель АД1 и центробежный вентилятор ЦБ образуют исполнитель-но-регулирующее устройство системы охлаждения обмоток двигателей АД2 и АДЗ);

асинхронных двигателей АД2 (двигатель МЗВР 160 MLA 4 производства фирмы АВВ мощностью 11 кВт) и АДЗ (двигатель АО-63-4 мощностью 14 кВт) — физические модели асинхронных тяговых электродвигателей локомотива; модели механической части привода.

Для управления асинхронными двигателями применяются полупроводниковые преобразователи частоты ПЧ1 — ПЧЗ производства фирмы АВВ: преобразователи типа ACS550 и ACS850 мощностью 11 кВт каждый, реализующие функции скалярного, векторного управления, а также прямого управления моментом; преобразователь частоты типа ACSM1 мощностью 4 кВт, реализующий функции скалярного управления и прямого управления моментом. Для организации обмена информацией между преобразователями частоты и ЭВМ используется интерфейс RS-485, управление преобразователями осуществляется при помощи программ DriveStudio и DriveWindow Light.

Модель механической части привода состоит из моделей колесных пар КП (с установленным на ней зубчатым колесом ЗК) для двигателя АД2 и колеса Кс для двигателя АДЗ; устройства, имитирующего связь колесной пары с рельсами, выполненного в виде двух жестко связанных катков К; маховика М, имитирующего массу поезда; нагрузочного устройства, имитирующего сопротивление движению. Связь зубчатого колеса ЗК с осью колесной пары КП может быть жесткой или с включением элементов демпфирования (резиновых втулок). Сила нажатия колесной пары КП и колеса Кс на каток К регулируется с помощью специальных винтовых пружинных устройств (устройств нагружения) ВП.

Колесная пара КП и колесо Кс имеют сменные бандажи, что обеспечивает возможность моделирования совместной работы тягового привода с колесными парами, имеющими различную величину диаметра колес. Применение колес с разными величинами диаметров может позволить привести к возникновению фрикционных крутильных автоколебаний. Изменяя точку передачи крутильного момента вдоль оси колесной пары, можно добиться того, чтобы в крутильных колебаниях (автоколебаниях) участвовал ротор асинхронного двигателя.

Нагрузочное устройство состоит из фрикционного тормоза ФТ и электрической машины постоянного тока независимого возбуждения МПТ, тормозной момент которой можно регулировать при помощи реостатов в цепи обмотки якоря и изменения напряжения обмотки возбуждения. В режимах низких и средних скоростей дополнительно используется нагрузочная электрическая машина. В режимах пуска и разгона асинхронный двигатель нагружен фрикционным тормозом.

Изменение момента сопротивления вращению маховика приводит к изменению режима работы привода, возможностей появления срыва сцепления колес с катком, имитирующим рельс, возникновению боксования и, как следствие, автоколебательным процессам [3]. Задаваясь различными моментами сопротивления и начальными частотами вращения тягового электродвигателя, можно определять области боксования и режимов автоколебаний на различных подъемах железнодорожного пути.

Измеряемыми электрическими и механическими параметрами в установке являются токи фаз статоров асинхронных двигателей; частота вращения валов их роторов; моменты, развиваемые двигателями АД2 и АДЗ.

При измерении тока необходимо учитывать, что полученные данные будут использоваться для расчета температуры различных частей асинхронной машины по математической модели тепловых процессов. Электромагнитная постоянная времени обмотки статора гораздо меньше электромеханической постоянной времени и, тем более, постоянной времени нагрева. К датчикам тока предъявляются требования высокой полосы пропускания, низкой ошибки измерения, линейности статической характеристики, малой температурной зависимости.

В качестве датчиков тока использованы датчики тока ACS712 производства фирмы Allegro Microsystems. Датчики предназначены для измерения постоянного и переменного тока частотой до 50 кГц, их принцип действия основан на эффекте Холла, они интегрированы в малогабаритный корпус S0IC8, имеют гальваническую развязку с напряжением пробоя 2,1 кВ, ошибка измерения — 1,5 % (при температуре ТА = 25 °C). Для измерения фазных токов обмоток асинхронных машины АД2 и АДЗ применены датчики, рассчитанные на номинальный ток 30AACS712ELCTR-30A-T.


В качестве датчиков частоты вращения вала ротора асинхронных машин и маховика используются инкрементальные энкодеры E40S6-1000-6-L-5 DC5V производства фирмы Autonics с разрешающей способностью 1000 импульсов на оборот. Датчик частоты вращения ДЧ1 установлен на вал измерительного диска (ролика), прижатого к катку. Частота его вращения пропорциональна частоте вращения маховика, т.е. он моделирует линейную скорость перемещения массы локомотива (поезда).

Датчик частоты вращения ДЧ2 установлен на колесе, приводящем в движение каток, следовательно, на нем возможны явления боксования и проскальзывания, которые отражаются в показаниях датчика ДЧ2. Таким образом, по рассогласованию сигналов с датчиков ДЧ1 и ДЧ2 (с учетом масштабирующих коэффициентов) возможно определение режимов срыва сцепления и борьба с этим посредством введения корректирующих сигналов в систему управления.

Из-за неравномерного прохождения воздуха внутри машины, а также в связи с тем, что в процессе теплообмена между нагретыми частями асинхронной машины и охлаждающим воздухом последний нагревается, температура различных элементов машины может существенно отличаться.

Распределения превышений температур в обмотках статора, ротора и на корпусе двигателя АДЗ измеряются с помощью хромель-копелевыхтермопар 1,5 мм. Термопары располагаются на статоре в трех сечениях — на лобовых частях обмотки статора со стороны поступления охлаждающего воздуха (рис. 4) и на противоположной стороне, а также в массиве статора на расстоянии 45 мм от поверхности (по 3 термопары в каждом сечении, сдвинутые на 120°), на роторе — в массиве на расстоянии 40 мм от поверхности (рис. 5).

Информационный сигнал высокочувствителен к электромагнитным влияниям и другим помехам, поэтому применено защитное алюминиевое экранирование проводов термопар для уменьшения влияния со стороны двигателя и окружающего пространства, а также для увеличения надежности и достоверности измерения температуры. Передача информации с термопар, установленных на роторе, осуществляется через скользящий контакт ртутного токосъемника.

Температура двигателя АД2 измеряется с помощью шести термометров сопротивления Ptl 00, расположенных по три на лобовых частях обмотки статора. Подключение сопротивлений осуществляется по четырехпроводной схеме.

Для измерения момента применяется тензометрический способ — используется мостовая схема включения тензосопротив-лений, смонтированных на валу двигателей. Передача информации осуществляется через скользящий контакт ртутного токосъемника.

Сигналы со всех датчиков поступают на многофункциональную плату аналого-цифрового преобразования J1A-2USB-12 (MF) производства ЗАО «Руднев — Шиляев» и с нее — на персональный компьютер. Данная плата содержит 32 однополюсных / 16 дифференциальных аналоговых входов с максимальной частотой дискретизации 500 кГц, два канала аналогового вывода с разрешением 12 бит, 8 каналов цифрового ввода, 8 каналов цифрового вывода (цифровые линии ввода/вывода имеют ТТЛ совместимый уровень). Данное устройство не нуждается во внешнем источнике питания, так как запитывается по шине USB, по которой и осуществляется обмен информацией с компьютером.

В связи с малой выходной величиной напряжения термопар необходимо произвести его усиление, после чего уже увеличенное напряжение подается на плату аналого-цифрового преобразования.

Для сбора и хранения данных имеется поставляемое в комплекте с ЛА-2115В-12 программное приложение Saver2. Приложение позволяет осуществлять выбор каналов для сбора информации, изменять частоту по каналам, а также содержит осциллограф.

Доказательство адекватности разработанной физической модели осуществляется на основе теории подобия и моделирования, в которой разработаны два основных способа определения критериев подобия. Первый способ состоит в приведении дифференциальных уравнений, описывающих исследуемый физический процесс, к безразмерной форме. Второй способ основан на применении п-теоремы. В этом случае критерии подобия определяют путем анализа размерностей параметров, определяющих рассматриваемый физический процесс. Имеется также один дополнительный способ — способ использования системы относительных единиц.

Приведенное утверждение является следствием основных теорем подобия. Способ определения критериев подобия

выбирают в зависимости от физических свойств моделируемого объекта и характера решаемых задач.

Асинхронный двигатель в данной работе рассматривается как элемент электромеханической, тепловой и энергетической системы, моделирующей возмущающее воздействие. Поэтому, при построении модели двигателя допустимо использование приближенного подобия. Для определения критериев подобия двигателей использован способ относительных единиц, а для определения критериев подобия механической части привода — п-теорема.

Известно, что параметры машин (сопротивления обмоток, номинальные значения частоты и напряжения и т.д.) и характер протекания переходных процессов в машинах в значительной степени зависят от их мощности [4]. Поэтому при использовании машин малой мощности в качестве моделей необходимо оценивать погрешность эксперимента с учетом особенностей режимов их работы.

Проведенные расчеты [5] показали, что погрешность в определении количественной величины момента даже в случае несовпадения режимов работы двигателей не превышает 25 % (качественная картина процесса пульсаций момента полностью сохраняется), а в случае близости режимов работы погрешность не превышает 14 %. В случае совпадения режимов работы погрешность в определении величины пульсаций момента не превышает 13 %. Таким образом, можно осуществлять приближенное моделирование асинхронного тягового двигателя двигателем значительно меньшей мощности с достаточной степенью точности.

Для примера приведем результаты экспериментальных исследований нагрева асинхронного двигателя. Методика исследований динамических свойств системы охлаждения асинхронного двигателя как объекта регулирования температуры включает следующие основные положения:

■ переходные временные характеристики системы охлаждения определяются при однократном скачкообразном изменении только одного из воздействий — регулирующего или одного из возмущающих — и поддержании постоянными остальных;

■ величина однократного скачкообразного воздействия не должна превышать 15 % от максимально возможной величины вносимого возмущения;

■ однократное скачкообразное воздействие вносится при установившемся температурном режиме системы охлаждения, причем по достижении нового установившегося состояния вносится новое однократное скачкообразное воздействие того же значения, что и предыдущее, но обратного знака.


Результаты тепловизионной съемки асинхронного двигателя в установившемся тепловом режиме посредством портативного тепловизора Testo 875i, обладающего температурной чувствительностью 50 мК при 30 °C, приведены на рис. 6. Результаты экспериментальных исследований статических и динамических тепловых режимов работы — на рис. 7.

Температура окружающего воздуха во время проведения экспериментов составляла 20... 21 °C. Закон управления асинхронным двигателем — 11Д = const, где Us — напряжение обмотки статора (с применением IR-компенсации).

Следует отметить, что результаты экспериментального исследования распределения температуры показали высокую сходимость с результатами теоретических исследований на математической модели [6,7].

Таким образом, разработанная физическая модель позволяет осуществлять системный подход и проводить комплексные испытания тягового и вспомогательного электроприводов локомотива с целью определения алгоритмов и параметров систем управления и охлаждения, обеспечивающих наиболее полную реализацию тяговых свойств и минимальные энергетические потери.

Библиография

1. Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов: Монография / А.С. Космодамианский. — М.: Маршрут, 2005. — 256 с.

2. Козярук А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов/А.Е. Козярук, В.В. Рудаков; под ред.

A. Г. Народицкого. — СПб.: С.-Петерб. электротехн. компания, 2004. —128 с.

3. Моделирование динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей /

B. И. Воробьев [и др.] // патент RU 2496100, опубликован 20.10.2013,6юл.29

4. Физический эксперимент и моделирование в машиностроении: монография / О.В. Измеров [и др.]. — Орел: ОрелГТУ, 2009. — 452 с.

5. Космодамианский А.С. Применение метода анализа размерностей к исследованию электромеханических характеристик тяговых асинхронных двигателей / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 3 - 2 - 2012. - С. 3 - 11.

6. Pugachev A. Experimental investigation of thermal processes in induction motor by physical modelling I A. Pugachev, A. Kosmodamianskiy // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS 2015), Tomsk. -2015.

7. Pugachev A.A. Investigation of induction motor temperature distribution in traction applications / A.A. Pugachev, A.S. Kosmodamianskiy // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 87 (2017)


Также рекомендуем посмотреть и купить продукцию Apple
i161.ru

Последний раз редактировалось Admin; 12.06.2019 в 14:56.
Admin вне форума   Ответить с цитированием 12
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
[03-2019] Усовершенствованный тяговый привод тепловозов с коллекторными двигателями Admin xx2 0 12.06.2019 08:43
[03-2019] Поставки новых локомотивов Admin xx2 0 09.06.2019 22:55
[02-2019] Новые технологии для новых локомотивов Admin xx2 0 16.03.2019 04:03
Столкновение локомотивов на ст. Иваново СевЖД 17 января 2019 г. бабулер20 Нарушения безопасности на сети дорог 0 11.03.2019 14:27
Тяговый привод подвижного состава Admin Wiki 0 03.04.2012 16:21

Ответ

Метки
локо0319


Здесь присутствуют: 1 (пользователей: 0 , гостей: 1)
 
Опции темы Поиск в этой теме
Поиск в этой теме:

Расширенный поиск

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.
Trackbacks are Вкл.
Pingbacks are Вкл.
Refbacks are Выкл.



Часовой пояс GMT +3, время: 00:09.

СЦБ на железнодорожном транспорте Справочник  Сайт ПГУПС
сцбист.ру сцбист.рф

Лицензия зарегистрирована на scbist.com
СЦБИСТ (ранее назывался: Форум СЦБистов - Railway Automation Forum) - крупнейший сайт работников локомотивного хозяйства, движенцев, эсцебистов, путейцев, контактников, вагонников, связистов, проводников, работников ЦФТО, ИВЦ железных дорог, дистанций погрузочно-разгрузочных работ и других железнодорожников.
Связь с администрацией сайта: admin@scbist.com
Powered by vBulletin® Version 3.8.1
Copyright ©2000 - 2021, Jelsoft Enterprises Ltd.
Powered by NuWiki v1.3 RC1 Copyright ©2006-2007, NuHit, LLC Перевод: zCarot
Advertisement System V2.4