11.7. Система управления электрической передачей переменного тока

На современных локомотивах применяется система поосного управления тяговыми двигателями, или система управления тяговыми двигателями одной тележки, поэтому на рис. 11.24, в качестве примера, приведена принципиальная схема энергетической цепи и системы управления для одной тяговой оси тепловоза 2ТЭ25а /34/ . Энергетическая цепь тепловоза с электрической передачей переменного тока состоит из дизеля Д, синхронного генератора СГ, неуправляемого выпрямителя (выпрямительной установки) ВУ, емкостного фильтра С_ф, автономного инвертора напряжения АИН и асинхронного тягового двигателя АТД; частота вращения ротора каждого двигателя тепловоза измеряется датчиком скорости ДС. Управление скоростью тепловоза осуществляется изменением частоты напряжения на обмотке статора АТД в соответствии с (11.13); управление силой тяги – системой векторного управления моментом DTC (см. § 11.6.2). В качестве ключей АИН используются биполярные транзисторы с изолированным затвором - IGBT-транзисторы.

Основными блоками системы управления моментом двигателя являются: блок вычисления задания момента БВМЗ, блок вычисления задания потока БВПЗ, адаптивная модель асинхронного двигателя «МОДЕЛЬ АТД», блок вычисления сектора потока БВСП и блок быстродействующего логического автомата БЛА.

Входными сигналами для системы управления моментом является свободная мощность дизеля и средняя скорость вращения роторов АТД . Значение задается регулятором мощности дизеля (РМ); значение рассчитывается блоком вычисления средней скорости БВСС по текущим значениям скоростей всех колесных пар тепловоза, измеряемых датчиками скорости ДС. Сигнал проходит через блок регулятора скорости РС, который ограничивает увеличение момента двигателя, если скорость превышает допустимое значение (или значение, установленное машинистом ).

Сигналы и поступают в блок БВМЗ, где рассчитывается сигнал задания момента двигателя как

,

где - число осей тепловоза.

Одновременно сигнал поступает в блок БВПЗ, который формирует сигнал задания потокосцепления обмотки статора двигателя . Чаще всего в память блока БВПЗ записывается электронная таблица значений в зависимости от значений , элементы которой могут определяться с использованием алгоритма М.П. Костенко.

На участке ограничения силы тяги по сцеплению характеристики момент АТД должен оставаться постоянным. Из (11.21) следует, что режиму постоянного момента двигателя соответствует его работа с .

Напряжение на обмотке статора определяется частотой и магнитным потоком двигателя

(11.30)

где - число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора;

значит, при магнитный поток двигателя должен оставаться постоянным. Поэтому при разгоне тепловоза блок БВПЗ формирует сигнал задания , соответствующий номинальному значению магнитного потока . В этом случае момент двигателя будет создаваться при минимально возможном токе, что позволит снизить потери энергетической цепи тепловоза.

На участке ограничения мощности характеристики в соответствии с (11.23) , т.е. (см. зависимость 11.30). Поскольку или , блок БВПЗ сформирует сигнал задания , удовлетворяющий условию .

Таким образом, для каждого текущего значения блоками БВМЗ и БВПЗ формируются сигналы момента и потокосцепления , являющиеся сигналами задания системы DTC.

Одновременно с этим, датчиками непрерывно измеряются текущие значения напряжений на всех фазах обмотки статора двигателя и токи в двух его фазах ; значения этих сигналов поступают в блок «МОДЕЛЬ АТД».

В блоке «МОДЕЛЬ АТД» выполняются следующие расчеты:

1. вычисляется текущее значение тока третей фазы как , поскольку для трехфазных обмоток, соединенных по схеме «звезда» ;

2. по значениям и в соответствии с (11.6) и (11.7) рассчитываются обобщенные векторы напряжения и тока обмотки статора, т.е. их значения и ориентация на плоскости, т.к. единичные векторы определят их положение относительно осей координат;

3. по значению и зависимости (11.27) с шагом вычисляется вектор потокосцепления статора , а соответственно его значение и его ориентация (фаза);

4. решение (11.10) позволяет рассчитать обобщенный вектор потокосцепления ротора по значениям и

;

5. по значениям и в соответствии (11.25) вычисляется текущее значение модуля электромагнитного момента двигателя

;

Текущие значения и подаются на вход компаратора момента.

В соответствии с (11.29) компаратор момента представляет собой трехпозиционное реле, гистерезис которого определяет знак ошибки регулирования момента .

Текущие значения и подаются на вход компаратора потокосцепления. В соответствии с (11.28) компаратор потокосцепления является двухпозиционным реле, гистерезис которого определяет знак ошибки регулирования потокосцепления .

Текущая ориентация вектора (сектор расположения потока обмотки статора) определяется блоком вычисления сектора потокосцепления БВСП по расчетному значению фазы обобщенного вектора .

Выходные сигналы компараторов и блока БВСП поступают в блок быстродействующего логического автомата БЛА, переключающего ключи автономного инвертора в соответствии с табл.(11.2).

Как уже говорилось, модуль потокосцепления ротора меняется медленно, но и модуль потокосцепления статора, если рассматривать небольшой отрезок времени, так же можно считать постоянным. Поэтому быстродействие системы управления электромагнитным моментом двигателя определяется временем выбора сектора расположения базового вектора напряжения, обеспечивающего необходимые знаки приращения электромагнитного момента и модуля потокосцепления и временем коммутации ключей инвертора.

Для определения обобщенного вектора может использоваться значение напряжения в звене постоянного тока и информация о текущем состоянии ключей инвертора (указано на рис. 11.24 штриховой стрелкой). В этом случае отпадает необходимость установки датчиков для измерений напряжений фаз обмотки статора АТД .

На рис. 11.25 приведены характеристики режимов работы тягового асинхронного двигателя ДАТ470 в энергетической цепи тепловоза 2ТЭ25а. Из них видно, что частота напряжения на обмотке статора двигателя увеличивается пропорционально скорости движения тепловоза, т.е. ~ . При трогании тепловоза, когда момент двигателя , амплитуда его напряжения увеличивается пропорционально скорости, т.е. , а магнитный поток остается постоянным. На рабочей части характеристики, до тех пор, пока напряжение на двигателе не достигнет номинального значения, оно изменяется по алгоритму ; в дальнейшем его значение поддерживается постоянным, равным .

Приведенные характеристики режимов работы асинхронного двигателя в энергетической цепи тепловоза подобны характеристикам асинхронного двигателя, работающего по алгоритму управления М.П. Костенко (рис. 11.19).