Моделирование электромеханической системы тепловоза 2тэ25к при срыве сцепления

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОЗА 2ТЭ25К ПРИ СРЫВЕ СЦЕПЛЕНИЯ

В.Н. Федяев

Аннотация

Представлена компьютерная модель магистрального тепловоза 2ТЭ25К, разработанная на основе совмещения программных комплексов MatLab и «Универсальный механизм». Приведены результаты анализа режимов буксования при различных конструкциях тележек локомотива.

Создание в крайне сжатые сроки новых отечественных магистральных тепловозов с индивидуальным регулированием осей (поосным регулированием) делает весьма актуальным анализ на стадии проектирования нестационарных режимов движения при различных конструкциях ходовой части. В частности, целесообразно оценить влияние конструкции тележек на электромеханические процессы при срыве сцепления и тяговые качества нового магистрального тепловоза 2ТЭ25К, разработанного Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) совместно с Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ МПС).

Для такого анализа необходима электромеханическая модель тепловоза. Однако исследование локомотива как единой сложной электромеханической системы в настоящее время затруднено тем, что широко применяемые для моделирования мехатронных систем программные комплексы MatLab и OrCad, позволяющие достаточно полно учесть особенности электрических силовых и управляющих схем, не имеют инструментария для анализа динамики сложных механических объектов с большим числом степеней свободы. Поэтому при создании в них моделей локомотивов используется упрощенное представление механической части (подсистемы) тепловозов в виде 2-6-массовых систем, что ведет в ряде случаев не только к снижению точности, но и к полной утрате некоторых существенных явлений в механической подсистеме, например таких, как перераспределение осевых нагрузок в режиме тяги.

Вместе с тем программный комплекс (ПК) «Универсальный механизм» (UM) [1], зарекомендовавший себя как надежный и эффективный инструмент анализа динамики сложных механических систем, позволяет полностью автоматизировать построение уравнений движения локомотива как механической системы, что дает возможность использовать расчетные схемы с практически любой степенью детализации и тем самым максимально приближать модель к реальному объекту.

При этом тепловоз (и при необходимости состав) представляется в виде системы твердых тел (кузова, рам тележек, зубчатых колес редукторов, колесных пар, остовов и якорей тяговых двигателей и т. д.), связанных друг с другом через элементы, обладающие упругими и диссипативными свойствами. Соединение такой модели с моделью электрической (силовой и управляющей) подсистемы открывает новые возможности для более полного анализа динамических и тяговых свойств тепловозов.

В рамках развития ПК UM на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета был разработан дополнительный модуль, обеспечивающий интеграцию моделей, на основе комплекса MatLab/Simulink в модели ПК UM. С использованием такой интеграции разработана модель нового магистрального тепловоза 2ТЭ25К (рис. 1) с поосным регулированием тяговых двигателей постоянного тока (ДПТ). Тепловозы имеют трехосные тележки с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей. Для оценки тяговых качеств тепловоза при различных конструкциях ходовой части рассмотрены варианты экипажа с серийной тележкой тепловоза 2ТЭ116 и тележками с двухступенчатым рессорным подвешиванием: с низко опущенным шкворнем (рис. 2) и наклонными тягами. электрический тепловоз магистральный буксование

Рис. 1. Модель механической части секции тепловоза 2ТЭ25К в ПК UM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Вариант модели тележки магистрального тепловоза в ПК UM

Моделирование электрической подсистемы тепловоза выполнено в среде MatLab/Simulink. На магистральном тепловозе 2ТЭ25К используется силовая электрическая схема с индивидуальным регулированием осей (рис. 3) (цепи ослабления поля на схеме не показаны, но при необходимости могут быть учтены в модели). Питание каждого двигателя производится от собственной управляемой выпрямительной установки (ВУ1 - ВУ6), благодаря чему можно осуществлять защиту от буксования, изменяя напряжение на двигателе буксующей оси по определенному закону в зависимости от скорости проскальзывания колес, а также ее первой и второй производной [2]. Это позволяет повысить тяговые качества тепловоза за счет снижения мощности, подводимой к буксующим осям, и увеличения мощности небуксующих осей.

Рис. 3. Силовая принципиальная электрическая схема тепловоза с индивидуальным регулированием осей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема модели ДПТ

При моделировании ДПТ последовательного возбуждения для уточнения модели в нормальных, и особенно в аварийных и нестационарных режимах следует учесть влияние вихревых токов, индуцируемых в магнитопроводе при изменении потока двигателя. Для моделирования тягового двигателя с учетом вихревых токов используются различные методы [3, 4]. В данной работе применен упрощенный подход [5, 6], при котором реальный контур вихревых токов заменяют фиктивным (с числом витков W₀ и сопротивлением R₀), расположенным по продольной оси обобщенной машины (рис. 4) и связанным с потоком Ф по данной оси коэффициентом связи, равным единице. При этом в фиктивном контуре течет ток I₀, обмотки якоря и возбуждения двигателя обтекаются одним и тем же током I_я (ослабление поля в данном случае не учитывается). В цепь якоря входят суммарная индуктивность L_я и суммарное сопротивление R_я, включающие соответственно индуктивности и сопротивления обмоток якоря, дополнительных полюсов и компенсационной, а также собственная индуктивность обмотки возбуждения L_в, сопротивление обмотки возбуждения R_в и ЭДС двигателя E_я. Система уравнений двигателя в осях - (рис. 4) имеет вид

(1)

где - ток намагничивания; - вихревой ток, приведенный к току обмотки возбуждения; Wв - число витков обмотки возбуждения; - приведенное сопротивление контура вихревых токов; - индуктивность обмотки возбуждения, рассчитываемая на основе кривой намагничивания; - приведенная взаимная индуктивность обмотки возбуждения и контура вихревых токов; - индуктивность рассеяния главных полюсов; - магнитный поток двигателя, определяемый по характеристикам машины; с - постоянная двигателя; - угловая скорость вращения ротора. Параметры контура вихревых токов W₀ , R₀ уточняются по экспериментальным данным [5].

Выражая из системы (1) производные токов, получаем уравнения двигателя в форме Коши.

(2)

Выходными параметрами для электрической подсистемы тепловоза и входными для механической являются электромагнитные моменты двигателей

.

Скорости роторов , входящие в уравнение (2) электрической части, являются выходными параметрами механической подсистемы и определяются при расчете механической части в ПК UM. Кривые и в MatLab задаются таблично с интерполяцией промежуточных значений.

Моделирование дизель-генераторной установки тепловоза и системы управления двигателями выполняется на основе приведения динамических процессов в синхронном генераторе Г (рис. 3) и выпрямительных установках (ВУ1-ВУ6) к звену постоянного тока (к выходу тягового модуля). Для каждой позиции контроллера машиниста (КМ) задается величина мощности дизеля Р_Дi, приведенная к звену постоянного тока. При переключении позиций контроллера инерционность процессов в дизеле учитывается введением инерционного звена первого порядка. Далее формируются внешние характеристики генератора, приведенные к звену постоянного тока, по уравнениям

(3)

где Р_Дi - мощность дизеля на i-й позиции КМ (i=1…15), приведенная к звену постоянного тока; U_dз - заданное выходное напряжение генератора, приведенное к звену постоянного тока; k₁ - коэффициент усиления пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора); Т₁ - постоянная времени ПИ-регулятора; I_огр - ограничение по току на заданной позиции КМ; - ток двигателя n-й оси секции тепловоза (n=1…6); U_d - выходное напряжение генератора, приведенное к звену постоянного тока; Т₂ - постоянная времени цепи генератора.

В системе (3) первое уравнение отражает работу электропривода в зоне ограничения по току (до выхода на заданную для соответствующей позиции КМ мощность), второе - соответствует работе тепловоза при постоянстве мощности, третье - описывает работу в зоне ограничения по напряжению. Четвертое уравнение системы (3) учитывает инерционность процессов в системе автоматического регулирования (САР) генератора.

При нормальных условиях сцепления напряжение U_d, вычисленное в соответствии с (3), подается непосредственно на инерционное звено первого порядка, включенное перед каждым двигателем и учитывающее динамические процессы в выпрямителе, и далее - на тяговые двигатели. Следовательно, напряжение U_dn, идущее на небуксующий двигатель, равно U_d..

При увеличении скорости проскальзывания колес выше заданного порогового значения срабатывает защита от буксования, и напряжение, подаваемое на звено, учитывающее инерционность выпрямителя и подводимое далее к буксующему двигателю, регулируется по закону [2]

U_dn = U_d0n - k_1b ?V_n - k_2b a_n, (4)

где U_dn - напряжение на буксующем двигателе; U_d0n - напряжение на буксующем двигателе в момент, предшествующий буксованию; k_1b - коэффициент усиления по разности скоростей; ?V_n= V_n - V_л - разность между линейной скоростью обода колеса буксующей оси (V_n) и скоростью локомотива (V_л); a_n - ускорение обода колеса буксующей оси; k_2b - коэффициент усиления по ускорению.

Исследовался также вариант управления, когда в формулу (4) вместо величины U_d0n подставлялось напряжение U_d, вычисленное по выражению (3). Коэффициенты k_1b и k_2b, нелинейно зависящие от ?V_n и a_n, задаются таблично с интерполяцией промежуточных значений, их величина подбирается при моделировании.

Адекватность модели была проверена на основе расчета динамических процессов при переключении позиций контроллера машиниста тепловоза 2ТЭ116 [7]. Сравнение результатов моделирования с осциллограммами эксплуатационных испытаний тепловоза 2ТЭ116, полученными ВНИКТИ МПС [2], показывает, что расхождение расчетных и экспериментальных данных при нормальном сцеплении составляет не более 12 %.

На основе разработанной модели выполнены расчеты нестационарных режимов тепловоза 2ТЭ25К при использовании трех вариантов конструкции тележек: 1) штатных тележек тепловоза 2ТЭ116; 2) тележек с низко опущенным шкворнем; 3) тележек с наклонными тягами.

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты моделирования секции тепловоза 2ТЭ25К с составом массой 3000 т при использовании тележек с низко опущенным шкворнем. На приведенных графиках: F - сила тяги; Vk - скорости колесных пар; U - напряжение; t - время. Моделирование подтверждает, что при срабатывании защиты от буксования наиболее разгруженных осей, в данном случае первой и четвертой, увеличивается нагрузка небуксующих осей - второй, третьей, пятой и шестой (рис. 5 б), - в результате чего мощность и сила тяги тепловоза снижаются незначительно (рис. 5 а). Однако при регулировании заданного напряжения по уравнениям (3), даже в зоне постоянства мощности, при буксовании одной оси и, тем более, нескольких осей локомотива суммарная мощность тепловоза все-таки снижается, так как небуксующие оси нагружаются в меньшей степени, чем разгружаются буксующие. Это происходит потому, что при увеличении скорости (рис. 5 в) напряжение буксующих осей понижается (рис. 5 г) в соответствии с законом (4), и его среднее значение становится меньше, чем требуемое, согласно (3), для поддержания заданной мощности значение U_dз.

Рис. 5. Результаты моделирования тепловоза 2ТЭ25К при использовании тележек с низко опущенным шкворнем:

а - силы тяги секции тепловоза (7) и осей (1-6); б - силы тяги осей (1-6) секции (увеличено);

в - скорости колесных пар 1-й (1) и 4-й (4) осей; г - напряжения на двигателях осей 1- 6 (1-6 соответственно)

Для поддержания постоянства мощности при буксовании части осей локомотива следовало бы регулировать напряжение по закону

,

где U_бук, I_бук - напряжения и токи двигателей соответствующих буксующих осей; I_норм - токи двигателей небуксующих осей.

Вместе с тем моделирование показывает, что при движении лимитирующей оси на пределе по сцеплению и срабатывании защиты от буксования догружаемые оси, как правило, тоже достигают предела по сцеплению и начинают буксовать. У них также срабатывает защита, в результате чего, хотя буксование и не переходит в разносное, мощность и сила тяги все же снижаются. На этом этапе тяговые свойства тепловоза при заданных параметрах двигателя и механической передачи определяются настройкой коэффициентов нелинейных регуляторов (4), порогом срабатывания защиты и быстродействием выпрямителя. Моделирование тепловоза 2ТЭ25К с различными типами тележек позволяет количественно оценить реализацию локомотивом предельных сил тяги для заданных условий сцепления. Наибольшие силы тяги в одинаковых условиях сцепления удается получить при использовании тележек с наклонными тягами, имеющими более равномерное распределение осевых нагрузок и позволяющими в ряде случаев вообще избежать срабатывания защиты от буксования при движении на пределе по сцеплению. В качестве примера на рис. 6 приведены результаты моделирования секции тепловоза 2ТЭ25К с составом 3000 т при применении тележек с наклонными тягами в тех же условиях сцепления, что и с низко опущенным шкворнем (рис. 5).

Рис.6. Результаты моделирования тепловоза 2ТЭ25К при использовании тележек с наклонными тягами: 7 - сила тяги секции тепловоза; 1-6 силы тяги осей 1-6

В результате анализа электромеханической системы магистрального тепловоза:

1. Разработана электромеханическая модель магистрального тепловоза 2ТЭ25К на базе совмещения программных комплексов MatLab и «Универсальный механизм», позволяющая оценить тяговые свойства тепловоза с различной конструкцией ходовой части при нестационарных режимах.

2. Подтверждено, что применяемая на тепловозе система индивидуального регулирования осей позволяет предотвратить разносное буксование и существенное снижение коэффициента тяги. Величина коэффициента тяги, реализуемая при работе защиты от буксования, определяется выбором коэффициентов усиления нелинейных регуляторов, настройкой порога срабатывания защиты и быстродействием выпрямителя.

3. Установлено, что используемый закон регулирования предопределяет снижение общей мощности локомотива при буксовании части осей, так как небуксующие оси догружаются в меньшей степени, чем разгружаются буксующие.

4. Показано, что применение тележек с наклонными тягами позволяет при пуске и разгоне тепловоза с составом в ряде случаев практически избежать срабатывания защиты от буксования и в одинаковых условиях сцепления реализовать силу тяги на 5 -7% большую, чем с другими рассмотренными вариантами тележек.

Список литературы

Погорелов, Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел/Д.Ю. Погорелов. - Брянск: БГТУ, 1997. - 156 с.

Клименко, Ю.И. Моделирование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики: дис. … канд. техн. наук/ Ю.И. Клименко. - Коломна: ВНИКТИ, 2004. - 171 с.

Жиц, М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока/М.З. Жиц. - М: Энергия, 1974. - 112 с.

Плакс, А.В. Параметры коллекторных тяговых двигателей при моделировании переходных процессов в цепях электровозов/ А.В. Плакс, М.Ю. Изварин// Вестник ВЭлНИИ. - Новочеркасск: Изд-во ВЭлНИИ, 2004, С. 112-118.

Захарченко, Д.Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы/ Д.Д. Захарченко, Н.А. Ротанов, Е.В. Горчаков. - М.: Транспорт, 1979. - 303 с.

Ключев, В.И. Теория электропривода/В.И. Ключев. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 704 с.

Ковалев, Р.В. Прогнозирование динамических процессов в электромеханической системе тепловозов/ Р.В. Ковалев, Г.А. Федяева, В.Н. Федяев// Вестник Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки. Ч. 1. - Луганск: Изд-во ВНУ, 2006. - № 8.- С. 31-36.

Размещено на Allbest.ru