Введение к работе
Актуальность работы. Повышение производительности грузовых перевозок напрямую связано с повышением тяговых свойств электровозов. Сегодня мощность тяговых двигателей превысила 1000 кВт и позволяет развивать силу тяги, в значительном интервале скоростей движения превышающую силу сцепления колес с рельсами, в связи с чем вопрос улучшения использования сцепного веса локомотива приобрел особое значение. Для использования наибольших сил тяги в зоне ограничений по условиям сцепления идеальным является такое их регулирование, при котором реализуемые каждой колесной парой коэффициенты сцепления будут наибольшими. Одним из путей решения этой проблемы является применение тяговых двигателей с жесткими электромеханическими характеристиками, в частности асинхронных тяговых двигателей (АТД). В решениях МПС РФ по созданию нового электроподвижного состава магистральных дорог большое внимание уделяется применению бесколлекторных тяговых двигателей. Новые электровозы и электропоезда должны быть оснащены тяговыми электроприводами на основе АТД. Одной из основных задач, которые предстоит при этом решить, является создание системы автоматического регулирования тягового привода, позволяющей использовать преимущества асинхронных двигателей в полном объеме. Работа посвящена исследованию способов регулирования АТД, позволяющих решить поставленную задачу.
Цель работы. Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования тягового электропривода на основе АТД, позволяющей реализовывать максимально возможные коэффициенты сцепления колеса с рельсом.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. разработана математическая модель тягового привода, как нелинейной динамической системы;
-
разработана математическая модель асинхронного электродвигателя, как элемента динамической системы;
-
исследовано влияние динамических свойств привода на тяговые свойства электровоза;
-
исследовано влияние способов управления АТД на динамические свойства привода;
-
разработана полномасштабная модель тягового привода на основе АТД, питаемого двухзвенной преобразовательной установкой ИППН-АИТ, и регулируемого системой векторного управления; на ее основе проведены исследования привода и отладка алгоритмов управления;
-
разработана и изготовлена САР асинхронным тяговым электроприводом электровоза постоянного тока с АТД, реализующая векторное управление.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории электрической тяги, теории автоматического регулирования и управления, теории электропривода и электрических машин. При исследовании и разработке САР использовался метод имитационного моделирования динамических процессов в тяговом электроприводе электровоза постоянного тока с АТД. Экспериментальные исследования проводились на натурном стенде ОАО ВЭлНИИ методом прямых измерений.
Научная новизна работы. Проведено исследование тягового привода как нелинейной динамической системы при работе на ниспадающем участке характеристики сцепления, указано на его структурную неустойчивость при таком режиме работы. Предложена система стабилизации частоты вращения колесной пары, обеспечивающая устойчивость системы во всем диапазоне скоростей проскальзывания. Указано на влияние быстродействия привода на величину реализуемого коэффициента сцепления. Выявлена зависимость между жестко-
стью тяговой характеристики и быстродействием, обеспечивающая высокое качество регулирования.
Практическая ценность и реализация. Разработана математическая модель тягового привода на основе АТД, позволяющая проводить исследования электромагнитных процессов в силовых цепях, поведение привода при изменении условий сцепления колеса с рельсом, производить отладку алгоритмов управления. Полученные результаты легли в основу экспериментальной САР, установленной на натурном стенде отдела электровозов ОАО ВЭлНИИ. Испытания показали ее работоспособность и высокое качество регулирования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
II Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 100-летию МИИТа "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 24 -25 сентября 1996 г.);
VI Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию Моск. гос. ун-та путей сообщ. (МИИТ) "Проблемы развития локомо-тивостроения"( Москва, 28-31 октября 1996 г.);
II межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Москва, РГО-ТУПС (ВЗИИТ), 20-21 марта 1997 г.);
II Междунар. науч.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития ЭПС" (г.Новочеркасск, ВЭлНИИ, 4 - 6 июня 1997 г.);
VII Междунар. конф. "Проблемы развития рельсового транспорта" (Ливадия, Крым, 29 сентября - 3 октября 1997 г.);
VI Междунар. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" (Санкт-Петербург, ЦНИИ СЭТ, 12-15 мая 1998 г.);
- семинаре "Силовые электронные преобразователи на ЭПС" (Москва, МГУ ПС(МИИТ), 1 июня 1998 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований и приложения. Работа содержит 167 страниц, в том числе 108 страниц машинописного текста, 31 страницу рисунков, 1 таблицу, 10 страниц списка литературы, 17 страниц приложений.
