Исследование системы автоматического управления тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта

Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра "Электрическая тяга"

А.Я. Якушев, И.П. Викулов

ИССЛЕДОВАНИЕ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

тяговыми электродвигателями ЭЛЕКТРОВОЗА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Учебное пособие. Часть 2

электровоз напряжение управление микропроцессорный

Санкт-Петербург-2010

УДК 629.243.053.3

ББК

Якушев А.Я., Викулов И.П.

Исследование системы автоматического управления тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока. Часть 2. Учебное пособие. - СПб: ПГУПС, 2010. - 39 с.

Библиогр. 7 назв., табл. 4, илл. 14.

Рассмотрена компьютерная модель силовой цепи и микропроцессорной системы автоматического управления тяговыми электродвигателями электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения в тяговом режиме. Компьютерная модель разработана в среде Matlab c схемно-техническим приложением Simulink и предназначена для исследования переходных и квазистационарных процессов в силовой цепи при пуске и движении электровоза с составом, а также при воздействии ступенчатого изменения напряжения тяговой сети. Приведены формулы и даны рекомендации для расчета параметров элементов силовой цепи и системы автоматического управления.

Учебное пособие предназначено для студентов дневного обучения по специальности 19.03.03.65 «Электрический транспорт железных дорог» для курсового проектирования по дисциплине «Автоматизация управления электроподвижным составом».

СОДЕРЖАНИЕ

1 Общие указания

1.1 Основные задачи проектирования

1.2 Содержание курсового проекта

1.4 Перечень обязательных схем и графиковстр

2 Принципиальная схема силовой цепи и функциональная

схемы системы автоматического управления

3. Компьютерная модель силовой цепи и системы

автоматического управления

3.1 Блок-схема компьютерной модели

3.2 Компьютерная модель тяговой сети

3.3 Компьютерная модель тягового трансформатора

3.4 Компьютерная модель выпрямительно-инверторного

преобразователя

3.5 Компьютерная модель тягового электропривода

3.6 Компьютерная модель элементов обратной связи

3.7 Компьютерная модель регулятора тока и

таймера-фазорегулятора

3.8 Компьютерная модель блока фазового управления

4. Расчёт параметров элементов силовой цепи и системы

автоматического управления контура регулирования тока

4.1. Расчёт параметров тяговой сети

4.2. Расчёт параметров обмоток тягового трансформатора

4.3. Расчет параметров выпрямительно-инверторного

преобразователя

4.4.Расчёт параметров тягового электропривода

4.5.Расчет параметров элементов обратной связи и таймера - фазорегулятора

4.6. Расчет параметров настройки регуляторов тока

5 Моделирование переходных процессов в силовой цепи ТЭД

5.1 Расчет переходных процессов в цепи ТЭД на компьютерной

модели

5.2 Оценка адекватности результатов моделирования и

качества регулирования САУ

Библиографический список

1 Общие указания

1.1 Основные задачи проектирования

Цель проектирования - практическое изучение элементной базы, принципов построения систем автоматического управления (САУ), переходных процессов в силовых цепях современного электроподвижного состава на примере расчета и компьютерного моделирования системы автоматического управления тяговыми электродвигателями (ТЭД) электровоза переменного тока.

Основными задачами проектирования являются расчет статических и динамических параметров элементов контура регулирования тока ТЭД, расчет параметров элементов компьютерной модели силовой цепи и системы автоматического управления, моделирование переходных процессов в силовой цепи электровоза переменного тока 2ЭС5К или ЭП1.

Для выполнения этих задач необходимо:

- изучить расчётную схему электрических цепей, функциональную и структурную схемы контура регулирования тока тяговых электродвигателей, а также микропроцессорной системы автоматического управления; блок-схему и основные модули компьютерной модели системы автоматического управления;

- выполнить расчет параметров элементов контура регулирования тока и параметров настройки регулятора тока ТЭД;

- произвести моделирование переходных процессов в силовых цепях проектируемой САУ для режима пуска электровоза и при ступенчатом воздействии в виде изменения уровня напряжения контактной сети.

1.2 Содержание курсового проекта

1. Расчётная схема электрических цепей и функциональная схема САУ контура регулирования тока ТЭД с обозначением переменных величин и расчетных параметров элементов цепей. Краткое описание назначения элементов системы и пояснение применяемого принципа автоматического управления.

2. Блок-схема компьютерной модели для контура регулирования тока ТЭД. Краткое пояснение функционального назначения элементов основных модулей компьютерной модели

3. Расчёт параметров элементов силовой цепи и САУ.

4. Моделирование на компьютерной модели переходных процессов в силовых цепях при пуске и движении электровоза с составом, а также при воздействии ступенчатого изменения уровня напряжения контактной сети.

5. Анализ адекватности результатов компьютерного моделирования и оценка качества регулирования САУ.

1.3 Перечень обязательных схем и графиков

1. Расчётная принципиальная схема электрических цепей и функциональная схема САУ контура регулирования тока ТЭД.

2. Характеристика намагничивания ТЭД.

3. Блок- схема компьютерной модели контура регулирования тока ТЭД и функциональные схемы основных модулей.

4. Графики переходных процессов выпрямленного напряжения пробразователя, токов якоря и возбуждения ТЭД, скорости движения при пуске и разгоне электровоза с составом, а также при ступенчатом изменении уровня напряжения контактной сети для заданного пускового тока ТЭД I_я = I_уст.

5. Графики квазиустановившихся процессов напряжения ВИП, токов якоря и возбуждения ТЭД при углах регулирования преобразователя 90⁰ с разверткой по времени на 3…4 полуволны напряжения тяговой обмотки трансформатора.

Условные обозначения, размеры схем, масштабы графиков должны соответствовать требованиям ЕСКД. В расчётах надо применять международную систему физических единиц СИ.

2 Принципиальная схема силовой цепи и функциональная схема системы автоматического управления

Пассажирский шестиосный электровоз ЭП1, а также каждая четырехосная секция электровоза 2ЭС5К оборудованы двумя 4-х зонными тиристорными выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) [3]. Эти преобразователи осуществляют регулирование напряжения, подводимого к ТЭД в режимах тяги и электрического рекуперативного торможения.

Микропроцессорная система автоматического управления (МПСУ) осуществляет управление выпрямительно-инверторными преобразователями, регулирование тока ТЭД и скорости движения электровоза.

Упрощенная принципиальная схема силовых электрических цепей тяговых электродвигателей секции электровоза 2ЭС5К, питающихся от одного ВИП, и функциональная схема контура регулирования тока ТЭД микропроцессорной системы управления для режима тяги показаны на рис.1. Контур автоматического регулирования скорости движения в работе не рассматривается. Схема силовых цепей и САУ тяговыми электродвигателями электровоза ЭП1 аналогична схеме, приведенной на рис. 1.

В тяговом режиме стабилизация тока тяговых электродвигателей на заданной уставке I_уст осуществляется регулятором тока якорей (РТЯ) микропроцессорной системы управления, обеспечивающей зонно-фазовое регулирование углов отпирания б_р тиристорных плеч ВИП. Расширение диапазона регулирования достигается применением ступеней ослабления возбуждения ТЭД. В рамках выполняемого курсового проекта применены две ступени, включаемые посредством контакторов КВ1 - КВ4.

Рис.1 Расчетная схема силовых цепей и САУ

На схеме обозначены переменные: i_я, i_в- токи якорей и возбуждения ТЭД; u_d , i_d - выходное напряжение и выпрямленный ток нагрузки ВИП; U_кс, U₂ - напряжение контактной сети и тяговой обмотки трансформатора; u_дт , i_дт - выходной и масштабированный сигналы датчиков тока ТЭД; C_р - выходная числовая переменная регулятора тока РТЯ; t_р, б_р- переменные временные и фазовые интервалы отпирания тиристоров ВИП; б₀, б_0з постоянные фазовые интервалы отпирания тиристоров ВИП; u_си - импульсы синхронизации модулей МПСУ.

Уставка тока I_уст тяговых электродвигателей задается потенциометром задающего элемента (ЗЭ) посредством поворота рукоятки контроллера машиниста.

Измерение токов якорей осуществляется датчиками тока ДТ1 - ДТ4, установленными в цепи каждого ТЭД. Модуль «ИЛИ-MAX» САУ выделяет из сигналов всех датчиков тока наибольший по уровню. Выходные сигналы датчиков тока периодически многократно преобразуются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) в цифровые величины на интервале каждой полуволны напряжения тяговой обмотки трансформатора. Интервал полуволны напряжения называют периодом управления МПСУ (ф_у=0,01с).

В микропроцессорной системе управления производится масштабирование цифровых сигналов датчиков тока u_дт в величины i_дт, кратные действительным значениям токов тяговых электродвигателей i_я. Блок-программа числовой обработки сигналов датчика тока производит вычисление среднего значения сигнала по окончанию каждой полуволны напряжения тяговой обмотки трансформатора.

Синхронизация работы всех модулей МПСУ осуществляется импульсными сигналами синхронизации u_си, которые формируются в модуле синхронизации (СХ) напряжением тяговой обмотки трансформатора U₂ посредством сигнала согласующего трансформатора (ТС).

Блок-программа регулятора (РТЯ) тока якорей ТЭД производит каждый период управления вычисление числовой переменной С_р с заданным законом регулирования по сигналу рассогласования (I_уст -). Числовая переменная С_р передается в таймер-фазорегулятор (ФР).

Формирователь сигналов управления - таймер-фазорегулятор производит отсчет интервалов времени t_р, пропорциональных числовой переменной С_р, относительно импульсов синхронизации u_си. Выходными сигналами таймера-фазорегулятора являются импульсные сигналы, формируемые с интервальными задержками t_р, соответствующими фазовым углам регулирования б_р тиристорных плеч ВИП.

Распределитель сигналов управления - блок-программа фазового управления (БФУ) производит формирование постоянных фазовых интервалов б₀, б_0з отпирания тиристоров ВИП и распределение импульсных сигналов управления б₀, б_0з, б_р по заданному алгоритму каждой зоны регулирования.

Включение контакторов КВ1 - КВ4 ступеней ослабления возбуждения производится автоматически на 4-й зоне регулирования при снижении углов регулирования ВИП до минимальной величины б_рmin.

При выполнении данного раздела в рамках курсового проекта надо указать назначение основных элементов силовой цепи и системы автоматического управления, а также кратко пояснить на основе принципиальной и функциональной схем, как осуществляется стабилизация тока тяговых электродвигателей при автоматическом управлении электровозом.

Контрольные вопросы к разд. 2

1.Поясните функциональное назначение элементов силовой цепи и САУ.

2.Назовите выходные сигналы функциональных элементов САУ.

3.Поясните физическое действие сигналов функциональных элементов САУ.

4. Поясните принцип автоматического регулирования тока ТЭД .

3 Компьютерная модель силовой цепи и системы автоматического управления

3.1 Блок-схема компьютерной модели

Компьютерная модель силовой цепи и САУ ТЭД электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения предназначена для моделирования и исследования переходных процессов, связанных с изменением токов и напряжения тяговых электродвигателей при пуске и движении электровоза с составом, а также при ступенчатом изменении напряжения контактной сети на 4-й зоне регулирования ВИП.

Компьютерная модель силовой цепи и САУ ТЭД для режима тяги электровоза с зонно-фазовым регулированием напряжения создана в среде MatLab с приложением Simulink на основе схемно-технических модулей физических элементов электрооборудования [1]. Блок-схема компьютерной модели САУ контура регулирования тока ТЭД показана на рис.2.

Рис.2. Блок-схема компьютерной модели контура регулирования тока ТЭД.

Компьютерная модель содержит модули: тяговой сети, тягового трансформатора, выпрямительно-инверторного преобразователя, тягового электродвигателя, механической части тягового привода, датчика тока ТЭД с блоком цифровой обработки сигналов, регулятора тока тяговых электродвигателей, блока фазового управления ВИП. Компьютерная модель содержит только один тяговый электродвигатель, поэтому все параметры силового оборудования в модели приведены к одному двигателю.

3.2 Компьютерная модель тяговой сети

Компьютерная модель тяговой (контактной) сети представляет собой цепную схему, составленную из элементов сопротивления R_кс и индуктивности L_кс продольных связей, а также емкости C_кс поперечных связей, отнесенных к 1 км пути (рис. 3). Питание сети осуществляется от источника синусоидального напряжения неограниченной мощности:

Здесь U_кс - напряжение контактной сети (действующее значение), В;

f_с - частота напряжения сети, Гц.

Напряжение тяговой сети подводится к тяговому трансформатору через выходы «Conn 1», «Conn 2».

Рис.3 Схема компьютерной модели тяговой сети

Параметры ввода компьютерной модели тяговой сети:

[2U_кс], В, - амплитудное значение напряжения сети;

[ f_с], Гц;- частота напряжения сети;

[R_кс], Ом/км, - сопротивление, [L_кс], Гн/км, - индуктивность, [C_кс], Ф/км, - емкость элементов тяговой сети, отнесенные к 1 км пути;

[l], км, - длина участка.

3.3 Компьютерная модель тягового трансформатора

Тяговый трансформатор электровоза имеет первичную (сетевую) обмотку и две вторичных (тяговых) обмотки, питающих посредством двух выпрямительно-инверторных преобразователей две группы тяговых электродвигателей. Каждая тяговая обмотка состоит из трех последовательно соединенных секций с соотношением числа витков 1:1:2. Выводы секций обмоток подключены к мостам ВИП. Схема обмоток тягового трансформатора электровоза показана на рис. 4.

Рис. 4 Схема обмоток тягового трансформатора электровоза

Компьютерная модель тягового трансформатора выполнена на основе схемно-технического модуля «Multi-winding transformer». Расчетная схема модели трансформатора представлена на рис. 5. На схеме первичная (сетевая) обмотка обозначена индексами «11». Тяговая обмотка, составлена из трех секций: двух малых секций с одинаковым числом витков (по 1/4 витков общей тяговой обмотки), обозначенных индексами «22», «33» и большой секции с удвоенным числом витков (1/2 обмотки), обозначенной индексами «44».

Рис.5 Расчетная схема компьютерной модели тягового трансформатора

На схеме обозначены напряжения: U₁ - первичной обмотки, U₂, U₃ - малых секций,

U₄ - большой секции тяговой обмотки.

Параметры обмоток модели тягового трансформатора имеют следующие обозначения:

R₁- сопротивление первичной обмотки, R₂, R₃ - сопротивление малых секций, R₄ - сопротивление большой секции тяговой обмотки.

L₁- индуктивность рассеяния первичной обмотки, L₂, L₃ - индуктивность рассеяния малых секций, L₄ - индуктивность рассеяния большой секции тяговой обмотки.

Напряжение обмоток трансформатора компьютерной модели соответствует номинальным значениям напряжения обмоток трансформатора электровоза, приведенным в табл. 2. Суммарное напряжение секций вторичной обмотки компьютерной модели тягового трансформатора равно номинальному напряжению вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза.

Параметры обмоток трансформатора надо вводить в компьютерную модель в системе СИ.

Параметры ввода компьютерной модели трансформатора:

[S_н], ВА, - номинальная мощность трансформатора;

[f_нс] Гц- номинальная частота напряжения сети;

[U₁, U₂, U₃, U₄], В, - действующие значения номинальных напряжений обмоток;

[R₁, R₂, R₃, R₄], Ом,- активное сопротивление обмоток;

[L₁, L₂, L₃, L₄], Гн;- индуктивность рассеяния обмоток

[R_m], Ом, - активное сопротивление, [L_m], Гн, - индуктивность цепи намагничивания трансформатора.

3.4 Компьютерная модель выпрямительно-инверторного преобразователя

Схема компьютерной модели ВИП показана на рис. 6. Блок ВИП составлен из 8-ми модулей «Thyristor» T1 - T8, шунтированных снабберными RC-цепями.

Рис. 6 Схема компьютерной модели ВИП

Напряжение от выводов тяговой обмотки трансформатора подводится к тиристорным плечам ВИП через входы «Conn 1» - «Conn 4». Выходное напряжение ВИП u_d подводится к тяговому двигателю через выводы «Conn 5», «Conn 6».

Отпирание тиристорных модулей осуществляется посредством подачи единичных импульсных сигналов длительностью 10 мкс, формируемых таймерами блока фазового управления БФУ. Импульсы управления подаются на управляющие электроды тиристоров ВИП по каналу «In 1». Коммутация тиристоров компьютерной модели естественная, без обратных токов.

Алгоритмы отпирания тиристоров компьютерной модели ВИП идентичны алгоритмам, применяемым на электровозах серий 2ЭС5К и ЭП1[5].

3.5 Компьютерная модель тягового электропривода

Схема компьютерной модели тягового электропривода постоянного тока последовательного возбуждения представлена на рис. 7.

Модель составлена на основе дифференциального уравнения равновесия напряжений и ЭДС в цепи якорей тяговых электродвигателей, уравнения намагничивающих сил с учетом действия вихревых токов, (см. формулы (10)-(12) [7]), а также уравнения равновесия механических сил, приложенных по кругу качения колесной пары электровоза:

.(1)

Здесь C_v Ф - магнитный поток ТЭД с масштабным множителем тягового привода, В/км/ч;

M_э, M_с масса электровоза и состава, соответственно, т;

N_д -число тяговых осей электровоза;

v - скорость движения электровоза, км/ч;

- ускорение поступательного движения электровоза, м/с²;

г_с- коэффициент инерции вращающихся элементов экипажной части состава;

a, b, c- эмпирические коэффициенты расчета сил сопротивления движению состава [4];

з - коэффициент, учитывающий механические потери в ТЭД и редукторе тяговой передачи.

Рис.7. Компьютерная модель тягового электропривода

На схеме обозначены переменные величины: i_a - ток якоря, А; i_f - ток возбуждения, А; CF - магнитный поток, В/км/ч, E_vr - ЭДС вращения, В; E_f -ЭДС, индуцируемая в обмотке возбуждения изменяющимся магнитным потоком, В, v - скорость движения, км/ч.

Параметры силовой цепи в компьютерной модели ТЭД имеют следующие обозначения:

R_sr, Ом, - сопротивление сглаживающего реактора, R_a, Ом, - сопротивление обмоток якоря, R_f , Ом, - сопротивление обмоток возбуждения;

L_sr, Гн, - индуктивность сглаживающего реактора, L_a, Гн, - индуктивность обмоток якоря, L_f , Гн, -индуктивность обмоток возбуждения;

R_f0, Ом, - сопротивление постоянного шунтирования обмоток возбуждения, R_f1, R_f2 , Ом, - сопротивление ступеней ослабления возбуждения;

L_f3 , Гн, - индуктивность реактора (индуктивного шунта ИШ) цепи ослабления возбуждения.

Напряжение питания ТЭД u_d подводится через входы «In1», «In2» от блока ВИП.

Ниже перечислены функциональные модули, посредством которых производят суммирование и преобразование сигналов компьютерной модели ТЭД.

Модули «I_a», «I_f» - формируют сигналы тока якоря и тока возбуждения.

Модуль «Fcn» воспроизводит характеристику намагничивания ТЭД CF(I_f) посредством следующей функции [2]:

. (2)

Здесь: I_вн, А, С_vФ_н , В/км/ч - номинальные величины тока возбуждения и магнитного потока ТЭД.

Модуль «Transfer Fcn» вводит в функцию магнитного потока CF(I_f) инерционность, обусловленную действием вихревых токов в остове тягового двигателя, в виде передаточной функции апериодического звена 1-го порядка с постоянной времени T_вх (см. формулу (17) [7]):

.(3)

В выражении (3) и далее в других передаточных функциях символом s обозначен множитель операторного преобразования (преобразование Лапласа).

Модуль «Transfer Fcn1» осуществляет операцию дифференцирования магнитного потока CF(I_f) для формирования ЭДС E_f, индуцируемой в обмотках возбуждения изменяющимся магнитным потоком ТЭД:

.(4)

Коэффициент усиления дифференцирующего звена определяется числом витков полюсных катушек ТЭД, с(км/ч) :

.(5)

Модуль «Transfer Fcn1» содержит дополнительно передаточную функцию апериодического звена первого порядка с постоянной времени T_А=0.0001с, осуществляющего сглаживание помех ступенчатого вида на выходе дифференцирующего звена.

Модуль «subsystem» формирует ЭДС вращения тягового электродвигателя E_vr посредством перемножения магнитного потока CF на скорость движения v.

Модуль «Transfer Fcn2» осуществляет задержку в передаче сигналов на 10^-6 с для разделения алгебраических контуров, появляющихся в ходе решения систем дифференциальных уравнений в пакете Simulink.

Модули «E_vr» и «E_f» вводят, соответственно, в контуры тока якорей и тока возбуждения ЭДС вращения и ЭДС, индуцируемую в обмотках возбуждения ТЭД. Модули позволяют связать электрические элементы пакета Power System Blockset со структурными или функциональными схемами элементов библиотек Simulink Library.

Модули «Ideal Switch 1», «Ideal Switch 2» производят переключение ступеней ослабления возбуждения по команде входа «In3».

Уравнение равновесия механических сил (1) по кругу качения колесной пары воспроизводят модули «Product», «Urav dvigenia».

Модуль «Product» формирует силу тяги посредством перемножения сигналов тока якоря i_a и магнитного потока СF.

Модуль «Urav dvigenia» воспроизводит действие сил инерции и сил сопротивления движению поезда. Функциональная схема модуля показана на рис. 8.

Рис.8 Функциональная схема модуля решения уравнения движения

Модуль «Gain 1» выполняет масштабирование силы тяги T_е, Н, умножая произведение на множитель 3,6:

.(6)

Модули «T_con», «T_var» формируют постоянную T_con и переменную T_var составляющие сил сопротивления движению состава (см. уравнение (1)):

(7)

.(8)

Модуль «Sum 2» осуществляет суммирование составляющих сил сопротивления движению T_con, T_var.

Модуль «Sum 1» осуществляет суммирование силы тяги T_е и сил сопротивления движению T_con, T_var.

Модуль «Gain 2» формирует производную скорости движения (ускорения поступательного движения) , м/с², выполняя деление выходного сигнала суммарных сил блока «Sum 1» на массу поезда M_пр, кг, приведенную к одному тяговому электродвигателю с учетом инерции вращающихся элементов экипажной части состава:

.(9)

Модуль «Subsystem 1» передает суммарную силу в модуль «Integrator» в случае положительности суммы сил или положительности скорости движения электровоза (движение назад не моделируется). Модуль «Integrator» интегрирует выходной сигнал модуля «Subsystem 1», формируя на выходе скорость движения поезда v, м/с. Масштабирование сигнала скорости движения в км/ч выполняет модуль «Gain 3» .

Выходы «1», «2», «3» компьютерной модели ТЭД предназначены для измерения тока якоря, тока возбуждения и скорости движения электровоза.

Параметры ввода компьютерной модели тягового электропривода:

[R_sr], Ом,- сопротивление сглаживающего реактора;

[R_a], Ом, - сопротивление обмоток якоря;

[R_f], Ом, - сопротивление обмоток возбуждения;

[L_sr], Гн, - индуктивность сглаживающего реактора;

[L_a], Гн, - индуктивность обмоток якоря;

[L_f], Гн, - индуктивность обмоток возбуждения;

[R_f0], Ом, - сопротивление постоянного шунтирования обмоток возбуждения;

[R_f1, R_f2], Ом, - сопротивление ступеней ослабления возбуждения;

[L_f3] , Гн, - индуктивность реактора (индуктивного шунта) цепи ослабления возбуждения.

[T_вх], с, - постоянная времени передаточной функции апериодического звена 1-го порядка, воспроизводящая действие вихревых токов в остове;

[K_w ], с(км/ч), - коэффициент усиления дифференцирующего звена магнитного потока ТЭД ;

[T_con], Н,- постоянная составляющая сил сопротивления движению состава;

[CF(I_f)] - функция, воспроизводящая характеристику намагничивания ТЭД (см. формулу (2));

[T_var(v)]- функция, воспроизводящая переменную составляющую сил сопротивления движению состава (см. формулу (8)).

3.6 Компьютерная модель элементов обратной связи

В САУ электровозов 2ЭС5К и ЭП1 применены датчики тока «LEM». Выходные цепи датчиков тока снабжены сглаживающими фильтрами для защиты МПСУ от импульсных помех. Поэтому изменение выходных сигналов датчиков тока характеризуются дифференциальным уравнением апериодического звена 1-го порядка с постоянной времени T_дт выходного сглаживающего фильтра и коэффициентом усиления K_дт (см. п.раздел 3.3 [7]).

Выходной сигнал датчика тока периодически многократно (q раз) считывается, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровые величины и масштабируется с масштабом m_дт, устанавливающим кратность цифровых сигналов датчиков тока и действительных величин тока якорей ТЭД . В начале каждого (v+1)-го периода управления блок-программа МПСУ выполняет числовую обработку цифровых сигналов датчика тока, вычисляя среднее за v-й период значение (рис. 9.):

.

Рис. 9 Диаграмма цифровой обработки сигналов датчика тока

Средняя величина сигнала датчика тока используется в МПСУ для вычисления сигнала рассогласования (I_уст-) в следующем, (v+1)-м периоде цикла управления.

Функциональная схема компьютерной модели датчика тока и блока цифровой обработки сигнала показана на рис. 10.

Формирование выходных сигналов компьютерной модели датчика тока производится модулем «Transfer Fcn» посредством умножения сигнала тока ТЭД i_a, подаваемого на вход «In 1», на передаточную функцию апериодического звена 1-го порядка с постоянной времени T_дт выходного сглаживающего фильтра, коэффициентом усиления датчика тока K_дт и масштабным множителем m_дт :

.

Рис. 10 Функциональная схема компьютерной модели датчика тока

Блок компьютерной модели датчика тока производит цифровую обработку сигналов датчика тока, аналогично производимой в МПСУ, для формирования среднего за период управления значения. Цифровая обработка сигналов производится посредством 100-кратного квантования сигналов модуля «Transfer Fcn» модулем «Zero-Oder Hold» каждый н-й период управления, равный 0.01с и суммирования квантованных сигналов модулем «Buffer».

Все значения, полученные на каждый период управления, формируются в вектор размерностью {1*100}, после чего вычисляется среднее значение элементов вектора посредством модуля «Mean».

Модуль«Convert 2D-1D» преобразует векторную величину модуля «Mean» в одномерный цифровой сигнал:

.

Далее полученные значения среднего за период управления сигнала датчика тока ТЭД передаются в регулятор РТЯ.

Параметры ввода компьютерной модели датчика тока и блока цифровой обработки сигнала:

[K_дт•m_дт] - коэффициент усиления датчика тока с масштабным множителем

[T_дт], с- постоянная времени апериодического звена1-го порядка выходного сглаживающего фильтра.

3.7 Компьютерная модель регулятора тока и таймера-фазорегулятора

Функциональная схема компьютерной модели ПИ-регулятора тока РТЯ и таймера-фазорегулятора показана на рис. 11,а. Дискретное уравнение вычисления выходного сигнала блок-программы регулятора МПСУ с пропорционально-интегральным законом регулирования для (v+1) периода управления (см. формулу (31) [7]) в компьютерной модели воспроизводится модулями пропорциональной и интегральной обработки сигнала рассогласования (m_зу•I_уст-).

Функциональная схема компьютерной модели ПД-регулятора тока РТЯ и таймера-фазорегулятора показана на рис. 11,б. Дискретное уравнение вычисления выходного сигнала блок-программы регулятора МПСУ с пропорционально-дифференциальным законом регулирования для (v+1) периода управления (см. формулу (35) [7]) в компьютерной модели воспроизводится модулями пропорциональной и дифференциальной обработки сигнала рассогласования.

На схемах рис. 11 модуль «Constant» задает масштабированный сигнал уставки тока m_зу I_уст. Сумматор «Sum1» вычисляет сигнал рассогласования (m_зу•I_уст-). Модуль «Discrete-Time Integrator» обеспечивает плавное нарастание уставки тока ТЭД на интервале 1,5…2 с. На вход «In2» подается средний за v-й период управления сигнал датчика тока якоря . На входах пропорционального, интегрального и дифференциального каналов регуляторов включены квантователи нулевого порядка «Zero-Order Hold». Сумматор «Sum 2» производит суммирование сигналов пропорционального и интегрального (дифференциального) каналов регулятора. Коэффициент усиления пропорционального канала регуляторов K_р задается модулем «Gain 1», коэффициент усиления интегрального K_ир или дифференциального K_др каналов задается модулем «Gain 2».

Коэффициенты усиления регуляторов являются параметрами настройки и выбираются с учетом параметров силовых цепей (см. формулы (32), (36), (47), (48) [7]).

а)

б)

Рис. 11 Функциональные схемы модулей регуляторов РТЯ и таймера - фазорегулятора

Выходная переменная С_р регулятора РТЯ передается в таймер-фазорегулятор, посредством которого формируется интервал времени t_р , соответствующий фазовому интервалу б_р управляющих импульсов отпирания тиристорных плеч ВИП.

Таймер-фазорегулятор производит отсчет интервалов времени задержки отпирания тиристорных плеч ВИП t_р относительно импульсов синхронизации u_си. Интервалу задержки t_р соответствует фазовый угол б_р связанный с числовой переменной регулятора C_р следующим соотношением [7]:

.(10)

Коэффициент усиления таймера-фазорегулятора по фазовому углу определяется следующей формулой, град:

.(11)

Здесь C₀ -константа фазорегулятора.

Таймер-фазорегулятор компьютерной модели функционирует по принципу вертикального формирования интервальной задержки выходного сигнала. Выходная переменная С_р регулятора РТЯ передается в элемент сравнения таймера-фазорегулятора. Сумматор «Sum 3» выполняет вычитание сигнала регулятора С_р, из константы фазорегулятора С₀. обеспечивая инверный алгоритм регулирования от максимальных углов к минимальным (см. формулу (10)). Модуль «Constant» задает величину константы фазорегулятора С₀.

Модуль «Saturation» формирует интервал фазового угла, пропорциональный разности (С₀ - С_р) и задает ограничение максимального фазового угла регулирования ВИП на уровне 165 эл. град.

Модуль «Gain 3» вводит коэффициент преобразования фазового интервала б_р таймера-фазорегулятора в интервальную задержку времени t_р отпирания тиристорных плеч ВИП.

Модуль «Subsistem» задает ограничение минимального интервала t_рmin. Вход «In 2» модуля вводит численную величину ограничения минимального интервала t_рmin задержки отпирания тиристорных плеч ВИП.

Модуль «Subsistem1» формирует сигналы переключения зон регулирования ВИП при достижении угла регулирования минимальной величины.

Параметры ввода компьютерной модели регулятора:

[K_р], 1/А;- коэффициент усиления пропорционального канала;

[K_ир], 1/А, ([K_др], 1/А;)- коэффициент усиления интегрального (дифференциального) канала;

[m_дт•K_ир] - масштабированная величина задатчика уставки тока.

3.8 Компьютерная модель блока фазового управления

Блок фазового управления ВИП формирует фазовые и временные интервалы отпирания тиристорных плеч буферного контура (б_0, t₀), интервалы задержки отпирания тиристорных плеч нерегулируемого контура (б_0з, t_0з), а также сигналы, обеспечивающие функционирование ВИП в соответствии с алгоритмом, представленным в табл.1.

Таблица 1

Алгоритм управления ВИП

Зона регулиро вания	Полупе- риод	Углы отпирания тиристоров
		VS1	VS2	VS3	VS4	VS5	VS6	VS7	VS8
I										0 - 1
II										1 - 2
III										2 - 3
IV										3 - 4

Во втором столбце табл.1 стрелками указано направление ЭДС вторичной обмотки тягового трансформатора, соответствующее данному полупериоду (полуволне ЭДС).

Углы отпирания тиристорных групп ВИП в табл.1 имеют следующие обозначения (см. рис.12):

- постоянные углы отпирания тиристоров буферного контура тока ТЭД, ₀ = 9 ;

- постоянные углы задержки отпирания тиристоров нерегулируемых плеч ВИП, _0з = ₀ +₀ +3,5;

- переменные углы отпирания регулируемых плеч ВИП, 165_р(_0з+₁+3,5),

где ₀, ₁- углы коммутации тиристорных групп, образующие буферный контур тока ТЭД и нерегулируемый контур ВИП, соответственно.

Рис.12 Диаграмма выходного напряжения ВИП

В компьютерной модели функцию формирования фазовых интервалов ₀ и _0з выполняет модуль «Subsistem» подблока «Impuls» блока «SAU». Функциональная схема модуля «Subsistem» показана на рис. 13.

На вход модуля «Ugol-impuls» подаются константы фазовых интервалов. Вход «ALFAcon» задает фазовый интервал ₀ =10 углов отпирания тиристоров буферного контура тока якорей ТЭД. Вход «₀» задает расчетный фазовый интервал углов коммутации тиристоров буферного контура. Вход «Zap1» задает фазовый интервал ?_з=5 задержки отпирания тиристоров нерегулируемого контура ВИП по окончании коммутации тиристоров буферного контура:

_0з = ₀ +₀ +?_з.

Рис. 13 Функциональная схема модуля «Subsistem»

Вход «₁» задает расчетный фазовый интервал углов коммутации тиристоров нерегулируемого контура ВИП. Вход «Zap2» задает фазовый интервал ?_з=5 задержки отпирания тиристоров регулируемого контура для формирования интервала ограничения минимального угла регулирования ВИП:

_рmin0з+₁+?_з.

При выполнении данного раздела в рамках курсового проекта надо привести в пояснительной записке функциональные схемы основных модулей компьютерной модели, дать краткое пояснение назначения элементов схем и систематизировать по каждому модулю параметры ввода данных.

Контрольные вопросы к разд. 3

1. Как моделируется тяговая сеть?

2. Как моделируется тяговый трансформатор?

3. Как моделируется силовая цепь якоря и возбуждения ТЭД?

4. Как моделируется магнитный поток ТЭД?

5. Как моделируется сила тяги ТЭД?

6. Как моделируются силы инерции и сопротивления движению?

7. Как моделируются регуляторы тока ТЭД?

8. Как моделируется таймер-фазорегулятор?

4 Расчёт параметров элементов силовой цепи и компьютерной модели контура регулирования тока

4.1 Расчёт параметров тяговой сети

Для ввода параметров , Ом/км, , Гн/км, в модуль компьютерной модели тяговой сети надо вычислить удельные величины, отнесенные к 1 км пути, и привести эти величины к цепи одного ТЭД по следующим формулам:

,.

Исходные параметры L_кс и r_кс необходимо принять по заданию, длину участка l в расчетах принять l =20 км. Распределенный параметр емкости тяговой сети принять Ф/км. Для источника питания тяговой сети надо вводить амплитудное значение напряжения .

4.2 Расчёт параметров обмоток тягового трансформатора

На электровозах 2ЭС5К установлены тяговые трансформаторы ОНДЦЭ 5000/25, на электровозах ЭП1 - тяговые трансформаторы ОНДЦЭ 5700/25. Паспортные данные трансформаторов приведены в табл.2. Схема обмоток тягового трансформатора показана на рис 4.

Расчетными параметрами компьютерной модели тягового трансформатора являются индуктивность и сопротивление сетевой, а также тяговых обмоток, приведенные к одному тяговому электродвигателю:

активное сопротивление обмоток трансформатора, Ом:

- первичной (сетевой) обмотки ;

- вторичной (тяговой) обмотки (полной) ;

- малых (1/4) и большой (1/2) секций тяговой обмотки, соответственно:

; ,

где U_2н U₂₁ , U₂₂- номинальные напряжения тяговой обмотки полной и секций, малой (1/4) и большой (1/2), соответственно;

K_т - коэффициент трансформации;

индуктивность обмоток трансформатора, Гн:

- первичной (сетевой) обмотки ;

- вторичной (тяговой) обмотки (полной) ;

- малых (1/4) и большой (1/2) секций тяговой обмотки, соответственно:

, ,

где 1,2; 1,8 - коэффициенты, учитывающие взаимную индуктивность обмоток.

Активное сопротивление и индуктивность цепи намагничивания трансформатора компьютерной модели принять R_m =5000 Ом, L_m =20 Гн.

Таблица 2

Паспортные данные тяговых трансформаторов.

№	Параметр	Обозначение	ОНЦДЭ 5000/25	ОНЦДЭ 5700/25
1	Мощность трансформатора, кВА	Sн	5000	5700
2	Напряжение первичной обмотки, В	U1н	25000	25000
3	Напряжение тяговой обмотки, В - полной обмотки - 1/4 обмотки - 1/2 обмотки - 3/4 обмотки	U2н U21 U22 U23	1260 315 630 945	1260 315 630 945
4	Номинальный ток первичной обмотки, А	I1н	200	230
5	Номинальный ток тяговой обмотки, А	I2н	1980	1970
6	Коэффициент трансформации:	Kт	19,84	19,84
7	Количество тяговых обмоток		2	2
8	Индуктивность обмоток трансформатора, Гн	Lт	0,038	0,032
9	Активное сопротивление обмоток трансформатора, Ом	rт	1,5	1,2

4.3 Расчет параметров выпрямительно-инверторного преобразователя

Диаграмма выходного напряжения ВИП для второй - четвертой зон регулирования показана на рис 12.

Регулировочная и нагрузочная характеристики выпрямительно-инверторного преобразователя определяются формулой (2) [7].

Эквивалентное сопротивление R_э ВИП учитывает потерю напряжения, обусловленную коммутацией тиристорных плеч на интервале суммарных углов (г₀+?_з+г₁) (см. рис.12).

Эквивалентное сопротивление R_э, Ом, надо рассчитать для 4-й зоны регулирования, используя величину суммарной индуктивности обмоток трансформатора L_т и заданную величину индуктивности контактной сети L_кс по формуле [7]:

.

Коэффициент усиления ВИП K_в, В/град, надо вычислить для 4-й зоны регулирования аналитическим способом по следующей формуле, приняв угол фазового регулирования б_р=90⁰ [7]:

.

Угол коммутации г₀ буферного контура на 4-й зоне регулирования (см. рис.12) надо вычислить для заданного значения пускового тока I_я =I_уст по следующей формуле:

.(12)

Угол отпирания тиристорных плеч буферного контура в расчетах принять б₀ =10⁰.

Угол коммутации г₁ нерегулируемого контура на 4-й зоне регулирования (см. рис.12) надо вычислить для заданного значения пускового тока I_я =I_уст по формуле:

(13)

Здесь ?_з - интервал задержки отпирания тиристорных плеч нерегулируемого контура ВИП; принять в расчетах ?_з =5⁰.

4.4 Расчёт параметров тягового электропривода

На электровозах 2ЭС5К установлены тяговые электродвигатели НБ514В, на электровозах ЭП1- тяговые электродвигатели НБ520В. Номинальные данные и конструкционные параметры ТЭД приведены в табл.3. Характеристики намагничивания С_vФ(I_в) приведены в табл.4

Таблица 3

Номинальные данные и конструкционные параметры ТЭД

	Параметр	Обозна-чение	2ЭС5К НБ514	ЭП1 НБ520
1	Напряжение на коллекторе, В	Uдн	980	1000
2	Ток якоря, А	Iян	905	845
3	Частота вращения, об/мин	nн	915	1030
4	Число полюсов	2pв	6	6
5	Число витков полюсной катушки	w	9	9
6	Число параллельных ветвей якоря	2а	6	6
7	Сопротивление якоря, доп. полюсов, компенсационной обмотки, Ом	rя	0,024	0,022
8	Сопротивление главных полюсов,Ом	rв	0,007	0,007
9	Коэффициент рассеяния	у	1,25	1,25
10	Конструкционный коэффициент обмоток	C	10,8	123,2
11	Приведенный конструкционный коэффициент,1/с(км/ч)	Cv	206,3	188,4
12	Передаточное число тягового редуктора	е	4,19	3,44
13	Геометрические размеры остова, м: - осевая длина, - толщина по радиусу, - длина полюсной дуги.	hо sо lm	0,53 0,07 0,52	0,48 0,07 0,55
14	Геометрические размеры полюсов, м: - длина, - ширина, - высота.	lп bп hп	0,38 0,20 0,13	0,36 0,20 0,14

Суммарное приведенное сопротивление цепи якоря ТЭД и выпрямительно-инверторного преобразователя надо вычислить по формуле, Ом:

.(14)

Величины сопротивлений r_я, r_в обмоток ТЭД в формуле (14) надо взять из табл. 3, принять коэффициент постоянного шунтирования обмоток возбуждения в₀=0,98, сопротивление обмоток сглаживающего реактора r_ср=0,015 Ом. Сопротивление r_кс контактной сети надо принять по заданию, сопротивление r_т обмоток тягового трансформатора взять из табл.2.

Коэффициент усиления цепи якоря ТЭД К_я рассчитать по формуле, 1/Ом:

.

Таблица 4

Характеристика намагничивания ТЭД

Электровоз	2ЭС5К	ЭП1
ТЭД	НБ514	НБ520
Iв, А	СvФ, В/(км/ч)	СvФ, В/(км/ч)
150	4,0	3,0
200	6,8	5,0
250	8,8	7,0
300	10,2	8,2
350	11,5	9,1
400	12,6	10,0
500	14,4	11,2
600	15,7	12,0
700	16,9	12,7
800	17,8	13,3
900	18,5	13,8
1000	19,0	14,3
1100	19,4	14,7

Величину индуктивности обмотки якоря надо вычислить по номинальным значениям напряжения U_дн, тока I_ян, частоты вращения n_н , числу пар параллельных ветвей обмоток якоря ТЭД (см. табл. 3) по формуле [6], Гн:

.

Суммарную приведенную индуктивность цепи якоря ТЭД вычислить по формуле, Гн:

.(15)

Индуктивность обмоток сглаживающего реактора L_ср, и индуктивность контактной сети L_кс в формуле (15) надо принять по заданию. Индуктивность L_т обмоток тягового трансформатора взять из табл.2.

Постоянную времени цепи якоря ТЭД вычислить по формуле, с:

.

Для расчета постоянной времени вихревых токов T_вх, а также индуктивности обмоток возбуждения с учетом степени насыщения магнитопровода надо построить по численным значениям из табл. 4 характеристику намагничивания С_vФ(I_в) ТЭД и выполнить ее линеаризацию.

Расчет коэффициента наклона К_ф, Ом/км/ч, линеаризующего отрезка характеристики намагничивания С_vФ(I_в) тяговых электродвигателей (см. рис. 14) надо выполнить для тока возбуждения I_в=в₀I_уст в диапазоне его изменения I_в =100А по формуле: .

Рис.14. Линеаризация характеристики намагничивания ТЭД

Величину проводимости контура вихревых токов g_вх , 1/Ом, надо вычислить по геометрическим размерам магнитопровода ТЭД [6], приведенным в табл. 3:

- остова: s_о - толщине, h_о - высоте, l_m - длине полюсной дуги, м;

- полюсного сердечника: b_П - ширине , h_П - высоте , l_П - длине, м;

,

где ₀=7,15^.10⁶ - удельная проводимость стали остова.

Постоянную времени контура вихревых токов ТЭД T_вх, с, вычислить по формуле, с:

.

Скорость движения электровоза на 4-й зоне регулирования ВИП при углах фазового регулирования б_р=90⁰ для тока ТЭД I_я=I_уст надо вычислить по формуле, км/ч: