Устройство управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение боксования и юза

Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями, питаемыми от статических преобразователей напряжения и частоты. Задачей полезной модели является управление подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение боксования и юза и подавление фрикционных автоколебаний. Технический результат достигается тем, что в устройство управления введены блоки, выполняющие коррекцию сигнала амплитуды питающего напряжения, вычисляемого регулятором напряжения, в функции модуля относительной средней скорости скольжения колеса, причем вычисление частоты питающего напряжения производится регулятором частоты с использованием сигнала датчика скорости локомотива.

Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями, питаемыми от статических преобразователей напряжения и частоты.

Известно устройство (а.с. №863435, МПК B 60 L 3/10, 1981) для защиты от боксования транспортного средства с асинхронными тяговыми двигателями, питаемыми от источника напряжения через тиристорный преобразователь, содержащее датчик боксования, выполненный в виде датчиков мгновенных значений тока фаз статора двигателя и реагирующий на увеличение мгновенного значения фазного тока. По команде датчика тока система управления меняет угол управления тиристорами преобразователя. После снижения тока прежнее значение угла управления восстанавливается.

Недостатком данного устройства является то, что оно не предупреждает боксования - датчик боксования срабатывает только тогда, когда боксование уже возникло и его следует устранить. Кроме того, к недостаткам относится необходимость запоминать исходное значение угла управления тиристорами, а также то, что это значение не зависит от изменяющихся условий сцепления и фактического скольжения колес, что снижает эффективность устройства и ограничивает возможность подавления фрикционных автоколебаний (колебаний силы сцепления между колесом и рельсом).

Известно также устройство управления асинхронным тяговым двигателем (Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями /В.А.Ротанов, А.С.Курбасов, Ю.Г.Быков, В.В.Литовченко; Под ред. Н.А.Ротанова - М.: Транспорт, 1991. - 336 с., с.30 - прототип), питаемым от источника напряжения через статический преобразователь напряжения и частоты (включающий выпрямитель, фильтр и автономный инвертор напряжения), содержащее систему управления вентильным преобразователем, датчики тока, частоты вращения двигателя и температуры

обмоток, регуляторы тока и частоты, по сигналам которых формируются импульсы управления вентилями преобразователя.

Недостатком данного устройства управления является то, что при формировании управляющих сигналов не учитывается скорость скольжения колеса, и это делает невозможным предупреждение устройством управления боксования и юза.

Задачей полезной модели является управление подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение боксования и юза и подавление фрикционных автоколебаний.

Технический результат достигается тем, что в устройство управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, содержащее статический преобразователь напряжения и частоты, питающий асинхронный двигатель, датчик скорости вращения двигателя, датчик температуры обмоток двигателя, последовательно соединенные контроллер машиниста, регулятор частоты, и систему управления преобразователем введены последовательно соединенные микропроцессорный датчик скорости локомотива, блок вычисления скорости скольжения, фильтр для вычисления средней скорости скольжения, блок вычисления относительной средней скорости скольжения, блок вычисления модуля относительной средней скорости скольжения, блок коррекции амплитуды напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения, выход которого соединен со вторым входом системы управления преобразователем, причем ко второму входу блока вычисления скорости скольжения подключен выход датчика скорости вращения двигателя, а ко второму выходу микропроцессорного датчика скорости локомотива подключен второй вход регулятора частоты; введены в устройство регулятор напряжения и блок сравнения и логики, вход которого подключен к третьему выходу микропроцессорного датчика скорости локомотива, а выход - ко второму входу блока вычисления относительной средней скорости скольжения, причем первый, второй и третий входы регулятора напряжения соединены соответственно с датчиком температуры, вторым выходом регулятора частоты и вторым выходом контроллера машиниста, а выход регулятора напряжения соединен со вторым входом блока коррекции амплитуды напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения.

На рис. 1 представлена структурная схема устройства управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающего предупреждение боксования и юза, на рис. 2 - результаты компьютерного моделирования тягового электропривода тепловоза, оборудованного предлагаемым устройством, при периодическом снижении потенциального коэффициента сцепления ₀ до 0,2 в процессе пуска и разгона локомотива (наезд на масляное пятно в интервалы времени 3,5-4 с, 5-6 с, 9-10 с).

Устройство управления (рис.1) тяговым приводом локомотива с асинхронными двигателями 1 (изображен только один двигатель), питаемыми от источника напряжения 2 через статический преобразователь 3 (включающий выпрямитель В, фильтр Ld-Сф и автономный инвертор напряжения АИН), содержит датчик 4 скорости вращения двигателя, датчик скорости локомотива 5, блок вычисления скорости скольжения 6, фильтр 7, блок сравнения и логики 8, блок деления 9, блок определения абсолютной величины 10, регулятор частоты 11, контроллер машиниста 12, датчик температуры 13, регулятор напряжения 14, блок коррекции напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения 15. Выходы блоков 11 и 15 соединены с системой управления преобразователем 16, вырабатывающей сигналы управления автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). К выходу блока 10 может быть также подключен блок сравнения 17, соединенный с управляющим входом песочницы 18.

Устройство работает следующим образом. Скорость локомотива V_п вычисляется блоком 5, выполненным на основе микропроцессора с использованием системы глобального позиционирования (GPS). В блоке 6 выполняется приведение скорости вращения двигателя к линейной скорости колеса V_к и вычисление скорости скольжения колеса

где V_ск - скорость скольжения колеса, км/ч;

v_к и V _п - линейные скорости колеса и локомотива соответственно, км/ч.

Сигнал V_ск подается на фильтр 7, вычисляющий среднюю скорость скольжения колеса V _ск.ср. Далее в блоке деления 9 вычисляется относительная средняя скорость скольжения колеса, причем для скорости локомотива V_п>1км/ч

а в диапазоне скоростей 0V_п1км/ч

где V_{cк.cp.oтн.} - относительная средняя скорость скольжения колеса.

Из расчетных формул (2) и (3) видно, что при вычислении V_cк.cp.oтн для скоростей локомотива меньших 1 км/ч принимается V _п=1 км/ч. Это позволяет производить расчет V _cк.cp.oтн при трогании с места, когда скорость локомотива равна нулю или близка к нулю. Проверка условия V _п>1км/ч и выбор расчетного выражения (2) или (3) для блока 9 производится в блоке сравнения и логики 8.

В блоке 10 определяется модуль относительной средней скорости скольжения , используемый далее в блоке 15 для коррекции сигнала амплитуды напряжения, вычисляемой регулятором напряжения 14. Регулятор напряжения 14 может вычислять амплитуду напряжения, исходя из условия постоянства потокосцепления статора в статическом режиме, с учетом текущего значения частоты, определяемого регулятором частоты 11, абсолютного скольжения, задаваемого контроллером машиниста 12 и температуры обмоток, фиксируемой датчиком 13, или, в простейшем случае, по закону Костенко (Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями /Н.А.Ротанов, А.С.Курбасов, Ю.Г.Быков, В.В.Литовченко; Под ред. Н.А.Ротанова - М.: Транспорт, 1991. - 336 с., с.20, - формула 2.5):

где U₁ и U _1ном - требуемое и номинальное значение амплитуды фазного напряжения соответственно. В;

f₁ и f_1ном - текущее и номинальное значение частоты фазного напряжения соответственно, Гц;

М и М _ном - текущее и номинальное значение вращающего момента двигателя соответственно, Н·м.

В блоке 15 выполняется коррекция сигнала амплитуды напряжения с учетом модуля относительной средней скорости скольжения по формуле:

где U_1кор - сигнал амплитуды напряжения, скорректированный с учетом модуля относительной средней скорости скольжения. В;

k - коэффициент пропорциональности.

Далее сигнал U_1кop подается на блок 16 системы управления инвертором. Частота f₁ питающего двигатель напряжения (для обеспечения естественной жесткости характеристик асинхронного двигателя в случае срыва сцепления) вычисляется регулятором частоты 11 не по скорости вращения ротора двигателя, а по скорости локомотива, измеряемой датчиком 5,

где f_п - частота, соответствующая скорости локомотива, приведенной к ротору двигателя, Гц;

f₂ - частота абсолютного скольжения (знак «+» относится к тяговому, а знак «-» -к тормозному режимам асинхронной машины), Гц.

Частота f_п вычисляется по сигналу линейной скорости локомотива, поступающему в блок 11 с блока 5.

Частота абсолютного скольжения f ₂ задается контроллером машиниста 12 и поддерживается при пуске и торможении постоянной для соответствующего положения контроллера. От величины f₂ зависит задание на пусковой (тормозной) момент двигателя и запас по сцеплению в нормальном режиме.

Частота f₁ питающего напряжения может ограничиваться на заданном уровне в зависимости от требуемой скорости транспортного средства. Сигнал частоты f₁ подается с регулятора частоты 11 на блок 16 системы управления инвертором совместно с откорректированным сигналом напряжения U_1кор с блока 15.

Таким образом, в блоке 15 осуществляется непрерывная коррекция амплитуды питающего асинхронные двигатели напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения колеса колесной пары во всех режимах движения. Причем, значение амплитуды питающего напряжения U₁, вычисленное регулятором напряжения 14, при достижении определенного значения ограничивается на заданном уровне, например, остается равным номинальному, а фактическое значение сигнала амплитуды питающего напряжения U _1кop всегда

оказывается скорректированным на величину k·. То есть, предлагаемое устройство управления постоянно следит за модулем относительной средней скорости скольжения колеса и соответствующим образом изменяет сигнал амплитуды напряжения двигателей, подавляя избыточное скольжение колес и фрикционные автоколебания.

Если к одному статическому преобразователю напряжения подключен не один, а параллельно несколько двигателей, вращающих каждый свою колесную пару, то в режиме тяги управление ведется по колесной паре с наибольшей, а в режиме торможения - с наименьшей линейной скоростью.

Чтобы избежать снижения силы тяги при ухудшении условий сцепления, помимо воздействия на блок 16 управления возможна подсыпка песка под колеса:

блок 17 при срабатывании включает электропневматический клапан песочницы 18 и обеспечивает кратковременную автоматическую подсыпку песка (в течение 0,6 -1,1 с) под буксующую ось в начальный момент возникновения боксования. Обнаружение начального момента боксования производится в блоке сравнения 17 по величине , исходя из условия 0,1 (что соответствует 10% от скорости локомотива).

В нормальных режимах V_ск минимально, и при использовании предлагаемого устройства управления в электроприводе имеется лишь небольшой дополнительный запас по сцеплению, обусловленный величиной k·. Но при ухудшении условий сцепления скольжение колес возрастает, и система реагирует, снижая напряжение и подавляя избыточное скольжение колес, боксование и автоколебания.

Для подтверждения возможности предупреждения боксования и юза с помощью предлагаемого устройства было выполнено компьютерное моделирование тягового привода с опорно-осевой подвеской асинхронного тягового двигателя ДАТ305, питаемого от инвертора напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией. В модель механической части подставлены параметры механической передачи тепловоза ТЭМ21.

На рис. 2 представлены результаты моделирования тягового электропривода тепловоза, оборудованного предлагаемым устройством, при периодическом снижении

потенциального коэффициента сцепления ₀ до 0,2 в процессе пуска и разгона локомотива (наезд на масляное пятно в интервалы времени 3,5-4 с, 5-6 с, 9-10 с).

На приведенных графиках Мэм - электромагнитный момент асинхронного двигателя, Isa - ток фазы А двигателя; ₀ - потенциальный коэффициент сцепления, - текущее значение коэффициента сцепления, Vk - скорость колеса, t - время движения локомотива.

Из графиков (рис. 2) видно, что при использовании предлагаемого устройства система управления обеспечивает как раз такое снижение электромагнитного момента Мэм и тока двигателя Isa, что недопустимое возрастание скорости колеса Vk подавляется, и локомотив при наезде на масляное пятно работает без боксования на пределе по сцеплению (коэффициент сцепления близок к ₀). Когда условия сцепления восстанавливаются, средняя скорость скольжения колеса снижается, и устройство управления согласно выражению (5) автоматически увеличивает питающее напряжение, повышая электромагнитный момент до уровня нормального режима. При этом запас по сцеплению в нормальном режиме принят небольшим (рис. 2): относительный коэффициент сцепления К=0,9 (К=/₀, при максимальном значении К=1 и =₀ локомотив работает на пределе по сцеплению). Этот запас необходим, так как реальная функция изменения сил в контакте колесо-рельс носит стохастический характер, что увеличивает вероятность попадания в нестабильную зону скольжения (Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями /Н.А.Ротанов, А.С.Курбасов, Ю.Г.Быков, В.В.Литовченко; Под ред. Н.А.Ротанова - М.: Транспорт, 1991. - 336 с., с.277) и затрудняет гашение автоколебаний.

Повышенное скольжение колес и фрикционные автоколебания приводят к увеличению износа узлов и деталей асинхронного тягового привода. Предлагаемое устройство управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение боксования и юза, позволит повысить надежность и увеличить срок службы подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями.

Устройство управления подвижным составом с асинхронными тяговыми двигателями, обеспечивающее предупреждение боксования и юза, содержащее статический преобразователь напряжения и частоты, питающий асинхронный двигатель, датчик скорости вращения двигателя, датчик температуры обмоток двигателя, последовательно соединенные контроллер машиниста, регулятор частоты и систему управления преобразователем, отличающееся тем, что в устройство введены последовательно соединенные микропроцессорный датчик скорости локомотива, блок вычисления скорости скольжения, фильтр для вычисления средней скорости скольжения, блок вычисления относительной средней скорости скольжения, блок вычисления модуля относительной средней скорости скольжения, блок коррекции амплитуды напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения, выход которого соединен со вторым входом системы управления преобразователем, причем ко второму входу блока вычисления скорости скольжения подключен выход датчика скорости вращения двигателя, а ко второму выходу микропроцессорного датчика скорости локомотива подключен второй вход регулятора частоты, введены в устройство регулятор напряжения и блок сравнения и логики, вход которого подключен к третьему выходу микропроцессорного датчика скорости локомотива, а выход - ко второму входу блока вычисления относительной средней скорости скольжения, причем первый, второй и третий входы регулятора напряжения соединены соответственно с датчиком температуры, вторым выходом регулятора частоты и вторым выходом контроллера машиниста, а выход регулятора напряжения соединен со вторым входом блока коррекции амплитуды напряжения в функции модуля относительной средней скорости скольжения.