Способ управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору

Изобретение относится к рельсовому транспорту и может быть использовано на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями. Способ включает вычисление текущих значений электромагнитного момента и потокосцепления статора в блоке DTC (Direct Torque Control) по первому двигателю. Вычисление задания на момент ведется регулятором скорости с использованием сигналов максимальной или минимальной частоты вращения параллельно включенных асинхронных двигателей. В режиме тяги управление ведется по максимальной скорости вращения. В режиме торможения управление ведется по минимальной скорости вращения. Задание на потокосцепление статора ψs_з определяется в системе управления верхнего уровня по зависимости ψs_з=f(ω_ср), где ω_ср - средняя скорость вращения двигателей или скорость локомотива, приведенная к валу двигателя. Технический результат заключается в обеспечении высокодинамичного управления моментом двигателей и предупреждении боксования и юза. 2 ил.

 

Изобретение относится к рельсовому транспорту и может быть использовано на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями (АТД), подключенными параллельно к одному автономному инвертору напряжения (АИН). На локомотивах такое параллельное подключение к одному инвертору и совместное управление (регулирование) АТД осуществляется обычно в пределах каждой тележки, поэтому его часто называют «потележечным» регулированием АТД.

Известен способ управления двумя АТД при питании от одного инвертора (Известия вузов. Электромеханика, №2, 2006, С.45-51 - прототип [1]) с использованием векторного управления АТД при постоянстве потокосцепления ротора. В данном способе параметры состояния двигателей определяются с использованием датчиков фазных токов и частоты вращения каждого АТД, затем по информации о частоте вращения двигателей принимается решение, по какому двигателю вести управление, и в качестве сигналов обратной связи системой управления (СУ) используется информация о токе статора, потокосцеплении и частоте вращения ротора этого двигателя.

Недостатком этого способа является наличие большого числа датчиков тока и переключение всех обратных связей в зависимости от того, по какому двигателю ведется управление, что может приводить к значительным электромеханическим колебаниям и повышенным динамическим нагрузкам в элементах тяговой передачи. Недостатком является также управление в режиме тяги по двигателю с меньшей скоростью вращения, так как при этом не отрабатывается необходимое снижение момента двигателя с большей скоростью вращения при резком изменении условий сцепления (например, наезд на масляное пятно). Кроме того, к недостаткам этого способа можно отнести само векторное управление АТД, требующее прямых и обратных координатных преобразований и компенсации перекрестных обратных связей объекта, увеличивающих ошибку и уменьшающих надежность системы.

Известна также система прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC) (Козярук А.Е., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока / под ред. Народицкого А.Г. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2005. - 100 с. [2]), которую можно использовать для управления АТД (Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - №5. - С.12-19 [3]).

Недостатком способов управления с использованием системы DTC, представленных в [2] и аналогичных [3, 4], является то, что они рассчитаны на индивидуальное регулирование двигателей (в частности, индивидуальное регулирование АТД каждой оси локомотива) и не предусматривают возможности совместного регулирования нескольких АТД, подключенных параллельно к одному АИН.

Целью изобретения является управление асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, обеспечивающее высокодинамичное регулирование момента двигателей и предупреждение боксования и юза.

Технический результат достигается тем (фиг.1), что в данном способе, использующем прямое управление моментом, вычисление текущих значений электромагнитного момента и потокосцепления статора ведется в блоке DTC всегда только по первому двигателю (двигателю первой оси тележки при потележечном регулировании) в соответствии с выражениями:

где и потокосцепления первого двигателя по оси α и β соответственно;

и - напряжения статора параллельно включенных двигателей по оси α и β соответственно;

и - токи статора первого двигателя по оси α и β соответственно;

R_S1 - сопротивление фазы обмотки статора первого двигателя, корректируемое с учетом изменения температуры обмотки;

М - электромагнитный момент первого двигателя;

р - число пар полюсов;

- модуль вектора потокосцепления статора первого двигателя;

θs - фаза вектора потокосцепления статора первого двигателя,

а вычисление задания на момент, подаваемого в блок DTC, ведется регулятором скорости с использованием сигналов максимальной или минимальной частоты (угловой скорости) вращения параллельно включенных асинхронных двигателей: в режиме тяги управление ведется по максимальной, а в режиме торможения - по минимальной скорости вращения, например, при использовании пропорционально-интегрального регулятора скорости (возможны и другие типы регуляторов), задание на момент М_з, поступающее в блок DTC, вычисляется по формулам:

- в режиме тяги

- в режиме торможения

и ограничивается на величине М_огр в случае ее превышения,

где k_ω - коэффициент усиления пропорционального звена регулятора скорости;

T_ω - постоянная времени интегрального звена регулятора скорости;

ω_з - задание угловой скорости, поступающее из системы управления верхнего уровня и определяемое с учетом обеспечения оптимального проскальзывания колес;

ω_max - максимальная скорость вращения параллельно включенных двигателей;

ω_min - минимальная скорость вращения параллельно включенных двигателей;

М_огр - ограничение по моменту, вырабатываемое в системе управления верхнего уровня;

причем задание на потокосцепление статора подаваемое в блок DTC, определяется в системе управления верхнего уровня по заданной зависимости где ω_cp - средняя скорость вращения двигателей или скорость локомотива, приведенная к валу двигателя. На фиг.1 показана система управления тяговым электроприводом с использованием предлагаемого способа, на фиг.2 в качестве примера приведены результаты моделирования поочередного наезда колес 1-й и 2-й оси тележки на масляное пятно длиной 2,5 м в процессе разгона локомотива.

К отличительным особенностям DTC можно отнести наличие в системе (фиг.1):

- гистерезисных релейных регуляторов потокосцепления статора (РРп) и момента (РРм) асинхронного двигателя;

- электронной адаптивной модели двигателя (АМД) для вычисления текущих управляемых координат асинхронного двигателя (потокосцепления статора и электромагнитного момента) по значению фазных токов, напряжения в звене постоянного тока и коммутационной функции АИН;

- блока вычисления фазового сектора (БВФС), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцепления статора двигателя;

- табличного (матричного) вычислителя оптимального вектора напряжения двигателя, выполняемого в виде блока логического автомата (БЛА) и определяющего функцию переключения вентилей АИН.

Система DTC обладает высоким быстродействием и в то же время в ней не требуются необходимые при реализации векторного управления преобразователи координат, регуляторы составляющих тока статора, блоки компенсации перекрестных обратных связей АТД. Кроме того, система более устойчива к возмущениям и неточности информации о переменных состояния объекта управления, чем обычная векторная система, что очень важно в тяговом электроприводе. Использование для вычисления фактических значений потокосцепления и момента только датчиков первого двигателя АТД_1, а не двигателя с минимальной или максимальной скоростью вращения, по которой в данный момент ведется управление, позволяет избежать электромеханических колебаний, возникающих при переключении обратных связей из-за разброса параметров обмоток двигателей. При этом двигатель АТД_1 первой оси, имеющей наименьшую вертикальную нагрузку, наиболее склонен к боксованию и юзу, поэтому он наиболее часто имеет максимальную и минимальную скорость в режимах тяги и торможения соответственно, и именно его скорость используется для управления. Переключения на управление по скорости других двигателей, например двигателя второй оси АТД_2, происходят, например, при поочередном проезде осями масляного пятна (фиг.2), когда вторая ось наезжает на пятно, а первая уже выехала на чистые рельсы, в этом случае боксование и юз соответствующих осей также эффективно подавляются.

Чтобы проанализировать предложенный способ, выполнено компьютерное моделирование тягового электропривода двухосной тележки с опорно-осевым подвешиванием асинхронных тяговых двигателей ДАТ305, подключенных параллельно к одному АИН, разброс параметров обмоток параллельно включенных двигателей (второго двигателя по отношению к первому) варьировался в диапазоне ±(10…20%). В модель механической части подставлены параметры механической передачи тепловоза ТЭМ21. На приведенных графиках фиг.2 М_д1 и М_д2 - электромагнитные моменты двигателей первой и второй оси тележки соответственно, М_з - задание на электромагнитный момент; V_K_₁ и V_K_₂ - скорости колес первой и второй оси тележки соответственно.

Моделирование наглядно показывает эффективность подавления боксования колес и высокие динамические свойства электропривода, использующего описанный способ управления. Предлагаемый способ управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, обеспечивает высокодинамичное управление моментом двигателей и предупреждение боксования и юза при разбросе параметров обмоток параллельно включенных двигателей до 20% по отношению к первому двигателю.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Колпахчьян П.Г. Управление двумя асинхронными тяговыми двигателями при питании от одного инвертора // Изв. вузов. Электромеханика. - 2006, - №2. - С.45-51.

2. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока / под ред. Народицкого А.Г. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2005. - 100 с.

3. Бабков Ю.В., Чудаков П.Л., Романов И.В., Федяева Г.А. Совершенствование систем и алгоритмов управления тяговым электроприводом тепловозов с асинхронными двигателями // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - №5. - С.12-19.

4. Иньков Ю.М., Феоктистов В.П., Федяева Г.А. Система экстремального регулирования тягового электропривода с асинхронными двигателями // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - №4. - С.10-18.

Способ управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, использующий прямое управление моментом (Direct Torque Control - сокращенно DTC), отличающийся тем, что в данном способе вычисление текущих значений электромагнитного момента и потокосцепления статора ведется в блоке DTC всегда только по первому двигателю (двигателю первой оси тележки при потележечном регулировании) в соответствии с выражениями:






где и - потокосцепления первого двигателя по оси α и β соответственно;
и - напряжения статора параллельно включенных двигателей по оси α и β соответственно;
и - токи статора первого двигателя по оси α и β соответственно;
R_S1 - сопротивление фазы обмотки статора первого двигателя, корректируемое с учетом изменения температуры обмотки;
М - электромагнитный момент первого двигателя;
p - число пар полюсов;
- модуль вектора потокосцепления статора первого двигателя;
θ_s - фаза вектора потокосцепления статора первого двигателя;
а вычисление задания на момент, подаваемого в блок DTC, ведется регулятором скорости с использованием сигналов максимальной или минимальной частоты (угловой скорости) вращения параллельно включенных асинхронных двигателей, а в режиме тяги управление ведется по максимальной, в режиме торможения - по минимальной скорости вращения, при использовании пропорционально-интегрального регулятора скорости задание на момент М_з, поступающее в блок DTC, вычисляется по формулам:
- в режиме тяги
- в режиме торможения
и ограничивается на величине М_огр, в случае ее превышения,
где k_ω - коэффициент усиления пропорционального звена регулятора скорости;
Т_ϖ - постоянная времени интегрального звена регулятора скорости;
ω_з - задание угловой скорости, поступающее из системы управления верхнего уровня и определяемое с учетом обеспечения оптимального проскальзывания колес;
ω_max - максимальная скорость вращения параллельно включенных двигателей;
ω_min - минимальная скорость вращения параллельно включенных двигателей;
М_огр - ограничение по моменту, вырабатываемое в системе управления верхнего уровня;
причем задание на потокосцепление статора ψs_з, подаваемое в блок DTC, определяется в системе управления верхнего уровня по заданной зависимости ψs_з=f(ω_cp), где ω_ср - средняя скорость вращения двигателей или скорость локомотива, приведенная к валу двигателя.