Устройство управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору

Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована на подвижном составе с асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному автономному инвертору напряжения. На локомотивах такое параллельное подключение и совместное управление (регулирование) двигателей осуществляется обычно в пределах каждой тележки, поэтому его часто называют «потележечным» регулированием. Задачей полезной модели является управление асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, обеспечивающее высокодинамичное регулирование момента двигателей и предупреждение буксования и юза. Технический результат достигается тем, что в устройство управления, использующее систему прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC), введены датчики тока только первого двигателя (двигателя первой оси тележки локомотива при потележечном регулировании), с использованием сигналов которых вычисляются в системе DTC текущие значения момента и потокосцепления статора двигателя, и блоки, вычисляющие задание на момент для системы DTC с использованием сигналов максимальной (в режиме тяги) и минимальной (в режиме торможения) частоты вращения параллельно включенных асинхронных двигателей. Устройство управления обеспечивает высокодинамичное управление моментом двигателей и предупреждение боксования и юза при разбросе параметров обмоток параллельно включенных двигателей до 20%, по отношению к первому двигателю.

Полезная модель относится к рельсовому транспорту и может быть использована 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.

Известно устройство 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 этом устройстве 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 данного устройства 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. Кроме того, к недостаткам устройства 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 A.F. - 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]).

К отличительным особенностям DTC можно отнести наличие в системе (рис.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 с учетом изменения температуры обмотки статора двигателя;

- 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. Недостатком системы DTC, представленной в [2], и аналогичных [3, 4], является то, что они рассчитаны на индивидуальное регулирование двигателей (в частности индивидуальное регулирование АТД скальзывания колес, а выход блока вычитания подключен к первому входу регулятора частоты вращения, на второй вход которого подается сигнал ограничения момента, определяемый в системе управления верхнего уровня, а выход подключен к входу задания момента блока DTC.

Структурная схема устройства управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, представлена на рис.1. Устройство содержит питаемый от источника трехфазного напряжения статический преобразователь 1 с автономным инвертором напряжения (статический преобразователь включает неуправляемый выпрямитель, фильтр С_ф и автономный инвертор напряжения АИН), к выходу которого подключено параллельно n асинхронных тяговых двигателей: АТД_1, АТД_2АТД_n, снабженных датчиками частоты вращения ДЧВ_1, ДЧВ_2ДЧВ_n соответственно (если источником питания служит сеть постоянного напряжения, выпрямитель в статическом преобразователе отсутствует). Для управления двигателями используется система прямого управления моментом 2 (блок DTC), при этом датчиками тока фаз А, В, С, подключенными к входам блока DTC, снабжен только первый двигатель АТД_1 (двигатель первой оси тележки локомотива). Возможно также использование двух датчиков токов фаз АТД_1 (вместо трех), например тока фаз А и В, и вычисление по ним тока третьей фазы С (I_C=-I_A-I_B).

В устройство входят также блок 3 определения максимальной (_max) и минимальной (_min) угловой скорости двигателей (при необходимости может быть предусмотрено также вычисление средней скорости вращения двигателей и передача ее сигнала в СУ верхнего уровня), блок логики 4, выбирающий значение (сигнал) максимальной или минимальной скорости вращения в зависимости от сигнала, поступающего из СУ верхнего уровня и определяющего вид режима движения локомотива (тяга/торможение). В режиме тяги выбирается сигнал максимальной, а в режиме торможения - сигнал минимальной скорости вращения. Выбранное значение подается с выхода блока 4 на вход блока вычитания 5, где оно вычитается из значения задания скорости (₃), приходящего в блок 5 из СУ верхнего уровня и вырабатываемого с учетом обеспечения оптимального проскальзывания колес (при этом может быть использован сигнал максимальной или минимальной скорости, поступающий в СУ верхнего уровня с выхода блока 4). Разность сигналов заданной и фактической скоростей поступает с выхода блока 5 на вход блока регулятора скорости 6, который вырабатывает сигнал задания момента (М_з ) с учетом сигнала ограничения момента (М_огр), поступающего из СУ верхнего уровня. С выхода блока 6 сигнал задания момента М_з подается на вход задания момента системы прямого управления моментом 2 (блока DTC). На вход задания потокосцепления в блок DTC подается сигнал задания потокосцепления статора, вырабатываемый в СУ верхнего уровня. В блоке DTC вырабатываются сигналы коммутационной функции управления ключами АИН и подаются на вход статического преобразователя 1.

Использование для вычисления фактических значений потокосцепления и момента только датчиков первого двигателя АТД_1, а не датчиков 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, когда вторая ось наезжает на пятно, а первая уже выехала на чистые рельсы, в этом случае боксование и юз соответствующих осей также эффективно подавляются.

Предлагаемое устройство управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, обеспечивает каждой оси локомотива) и не предусматривают возможности совместного регулирования нескольких АТД, подключенных параллельно к одному АИН.

Задачей полезной модели является управление асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, обеспечивающее высокодинамичное регулирование момента двигателей и предупреждение буксования и юза.

Технический результат достигается тем, что в устройство управления асинхронными тяговыми двигателями, содержащее статический преобразователь напряжения и частоты с автономным инвертором напряжения, питающий первый асинхронный двигатель (двигатель первой оси тележки локомотива), датчик частоты вращения первого двигателя, датчики токов фаз А, В, С первого двигателя, датчик напряжения звена постоянного тока статического преобразователя, асинхронные тяговые двигатели (один или более), подключенные к выходу статического преобразователя параллельно первому двигателю, блок прямого управления моментом (DTC), на соответствующие входы которого подаются сигналы датчиков тока первого двигателя, датчика напряжения звена постоянного тока, сигнал задания потокосцепления статора, поступающий из системы управления верхнего уровня, а выход соединен с управляющим входом статического преобразователя, введены блок регулирования частоты вращения, блок вычитания, датчики частоты вращения всех двигателей, подключенных параллельно первому двигателю, блок логики, блок определения максимальной и минимальной частоты вращения, к входам которого подключены выходы датчиков частоты вращения первого и всех остальных двигателей, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входам блока логики, на третий вход которого подается сигнал из системы управления верхнего уровня, определяющий режим работы двигателей (тяга/торможение), а выход подается в систему управления верхнего уровня и подключен также к первому входу блока вычитания, на второй вход которого подается сигнал задания частоты вращения, определяемый в системе управления верхнего уровня с учетом обеспечения оптимального просокодинамичное 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.

Устройство управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору, содержащее статический преобразователь напряжения и частоты с автономным инвертором напряжения, питающий первый асинхронный двигатель (двигатель первой оси тележки локомотива), датчик частоты вращения первого двигателя, датчики токов фаз А, В, С первого двигателя, датчик напряжения звена постоянного тока статического преобразователя, асинхронные тяговые двигатели (один или более), подключенные к выходу статического преобразователя параллельно первому двигателю, блок прямого управления моментом (DTC), на соответствующие входы которого подаются сигналы датчиков тока первого двигателя, датчика напряжения звена постоянного тока, сигнал задания потокосцепления статора, поступающий из системы управления верхнего уровня, а выход соединен с управляющим входом статического преобразователя, отличающееся тем, что в устройство введены блок регулирования частоты вращения, блок вычитания, датчики частоты вращения всех двигателей, подключенных параллельно первому двигателю, блок логики, блок определения максимальной и минимальной частоты вращения, к входам которого подключены выходы датчиков частоты вращения первого и всех остальных двигателей, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входам блока логики, на третий вход которого подается сигнал из системы управления верхнего уровня, определяющий режим работы двигателей (тяга/торможение), а выход подается в систему управления верхнего уровня и подключен также к первому входу блока вычитания, на второй вход которого подается сигнал задания частоты вращения, определяемый в системе управления верхнего уровня с учетом обеспечения оптимального проскальзывания колес, а выход блока вычитания подключен к первому входу регулятора частоты вращения, на второй вход которого подается сигнал ограничения момента, определяемый в системе управления верхнего уровня, а выход подключен к входу задания момента блока DTC.