Применение интерфейса um matlab import при моделировании электромеханической системы поосного регулирования локомотива

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕЙСА UM MATLAB IMPORT ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПООСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЛОКОМОТИВА

Г.А. Федяева, Г.С. Михальченко,

В.В.Кобищанов, Е.А. Комяжко

Аннотация

Представлены методика и результаты моделирования электромеханической системы поосного регулирования магистрального грузового тепловоза на основе совмещения программных комплексов Matlab/Simulink и «Универсальный механизм» с использованием интерфейса UM Matlab Import.

Ключевые слова: программные комплексы, Matlab, UM, UM Matlab Import, электромеханическая система, грузовой магистральный тепловоз, поосное регулирование, моделирование динамики.

При анализе систем и алгоритмов управления автоматизированного электропривода на моделях применяют, как правило, упрощенное моделирование механической части привода [1], что дает возможность приближенно учесть наиболее существенные явления в системе. Однако для более точного прогнозирования динамических процессов в сложных электромеханических системах на стадии проектирования необходимо совершенствование методологии моделирования и уточненное представление механической подсистемы.

С этой целью для моделирования механической части магистрального грузового тепловоза с индивидуальным регулированием тяговых двигателей постоянного тока (ДПТ) применен программный комплекс (ПК) «Универсальный механизм» (UM) [2], имеющий специальный модуль для моделирования динамики рельсовых экипажей. Модель электрической части тепловоза при этом разрабатывается в ПК Matlab/Simulink [3] и импортируется в UM при помощи специального интерфейса UM Matlab Import [2] (рис. 1). Далее сам процесс моделирования динамики управляемого движения осуществляется в UM.

Рис. 1. Иллюстрация импорта модели Matlab/Simulink в UM на основе интерфейса UM Matlab Import

С применением такого подхода разработана электромеханическая модель шестиосного магистрального тепловоза 2ТЭ25К. Локомотив имеет трехосные тележки с двухступенчатым рессорным подвешиванием и низко опущенным шкворнем, опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей. Эти и другие особенности конструкции учтены в модели. Модель механической части включает 85 степеней свободы, создана в программе UM Input, входящей в ПК UM (рис. 1), и позволяет выполнять расчеты с учетом динамического перераспределения нагрузок по осям тепловоза в нормальных и нестационарных режимах движения для различных условий сцепления между колесом и рельсом.

При использовании интерфейса UM Matlab Import на этапе описания модели в программе UM Input необходимо предусмотреть возможность дальнейшей связи UM-модели механической части тепловоза с моделью электрической подсистемы тягового электропривода (ТЭП), выполняемой в Matlab/Simulink. Для этого в модель 2ТЭ25К добавлены шесть специальных элементов ? общие силы. Эти силы имеют один ненулевой компонент - моменты относительно оси Y, заданные идентификаторами M1?М6, которые в дальнейшем будут связаны с электромагнитными моментами шести тяговых двигателей, вычисляемыми в модели электрической подсистемы. Для того чтобы впоследствии при моделировании в UM вывести величины токов и напряжений на двигателях, определяемые Matlab/Simulink, в модель формально введены соответствующие параметры: I1?I6 (токи якорей ДПТ) и U1?U6 (напряжения на якорях ДПТ). Затем созданная модель механической подсистемы передается в программу UM Simulation, входящую в ПК UM и предназначенную для выполнения расчетов (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модель электрической подсистемы тепловоза разработана в ПК Matlab/Simulink, широко применяемом для моделирования полупроводниковых систем электропривода. На магистральном тепловозе 2ТЭ25К используется силовая электрическая схема с индивидуальным регулированием осей. Питание каждого двигателя производится от собственной управляемой выпрямительной установки, 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 производных [4]. Это позволяет повысить тяговые качества тепловоза за счет снижения мощности, подводимой к буксующим осям, и увеличения мощности небуксующих осей.

При моделировании ДПТ последовательного возбуждения для уточнения модели в нормальных и особенно в нестационарных режимах следует учесть влияние вихревых токов, индуцируемых в магнитопроводе при изменении потока двигателя (в штатной модели ДПТ, входящей в пакет SimPowerSystems ПК Matlab/Simulink, вихревые токи не учитываются). Для моделирования тягового двигателя с учетом вихревых токов используются различные методы [5; 6]. В данной работе применен упрощенный подход [7], при котором реальный контур вихревых токов заменяют фиктивным (с числом витков W₀ и сопротивлением R₀), расположенным по продольной оси обобщенной машины (рис. 2) 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. 2) имеет вид тепловоз двигатель моделирование matlab

(1)

где - ток намагничивания; - вихревой ток, приведенный к току обмотки возбуждения; W_в - 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 [6].

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 уравнения (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 и выпрямительных установках к звену постоянного тока (к выходу тягового модуля). При нормальных условиях сцепления выходное напряжение генератора, приведенное к звену постоянного тока, подается непосредственно на инерционное звено первого порядка, включенное перед каждым двигателем и учитывающее динамические процессы в выпрямителе, и далее на тяговые двигатели.

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, (3)

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.

В блок-диаграмму модели электрической части ТЭП в Matlab/Simulink, составленную по приведенным уравнениям, дополнительно включены компоненты In и Out, которые обеспечивают (в соответствии с требованиями интерфейса UM Matlab Import) связь модели электрической и управляющей части системы тягового электропривода в Matlab/Simulink с моделью рельсового экипажа в ПК UМ. В частности, на соответствующий вход каждого из шести ДПТ (In1?In6) из модели механической части должна подаваться угловая скорость ротора относительно корпуса двигателя. С соответствующих выходов ДПТ (Out1?Out6) в механическую часть будут передаваться электромагнитные моменты тяговых двигателей. Электрические параметры ДПТ ? токи и напряжения, используемые в модели электрической и управляющей части, ? выводятся при помощи соответствующих блоков Out для того, чтобы их можно было наблюдать на графиках и анализировать средствами UM при моделировании в UM Simulation.

Далее осуществляются: экспорт подготовленной модели силовой электрической и управляющей части ТЭП из Matlab/Simulink в виде DLL-библиотеки; загрузка подготовленной в UM Input модели механической части локомотива в моделирующий программный модуль UM Simulation; загрузка и подключение DLL-библиотеки Matlab/Simulink с помощью специально добавленного в Um Simulation оконного интерфейса «Мастер связи с Matlab/Simulink» [2].

После этого выполняется моделирование динамики управляемого движения локомотива в Um Simulation. В качестве примера на рис. 3 представлены результаты моделирования работы системы поосного регулирования силы тяги тепловоза 2ТЭ25К в процессе разгона.

Рис. 3. Результаты расчета разгона секции тепловоза 2ТЭ25К с составом весом 3000 т:

а - скорости колес 1- 6-й осей (1-6) соответственно и скорость локомотива (7);

б - напряжения на двигателях 1- 6-й осей соответственно;

в - электромагнитные моменты двигателей 1- 6-й осей соответственно

Моделирование наглядно иллюстрирует функционирование системы индивидуального регулирования тяговых электродвигателей осей тепловоза (поосного регулирования): при срыве сцепления и увеличении скорости колес первой, наиболее разгруженной оси (рис. 3а) происходит динамическое снижение напряжения на двигателе этой оси (рис. 3б) по уравнению (3), вследствие чего снижается электромагнитный момент первого двигателя (рис. 3в) и буксование прекращается.

Адекватность электромеханической модели была проверена на основе расчета динамических процессов при переключении позиций контроллера машиниста тепловоза 2ТЭ116. Сравнение результатов моделирования с осциллограммами эксплуатационных испытаний тепловоза, оборудованного системой поосного регулирования [4], показывает, что расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет не более 12 %.

Как показывает опыт, использование интерфейса UM Matlab Import накладывает на модели Matlab/Simulink ряд ограничений, связанных с применением прикладного пакета SimPowersystems, дополнительно к ограничениям, оговоренным авторами [2]. В частности, возникают проблемы экспорта моделей с полупроводниковыми вентилями и полупроводниковыми преобразователями из пакета силовой электроники SimPowersystems. Несмотря на это, выполненные исследования подтверждают, что интерфейс UM Matlab Import является эффективным инструментом для моделирования динамики управляемого движения локомотивов.

Список литературы

Колганов, А.Р. Современные методы управления в электромеханотронных системах: разработка, реализация, применение / А.Р. Колганов, С.К. Лебедев, Н.Е. Гнездов. - Иваново: ИГЭУ, 2012.- 256 с.

Universalmechanism.com. - Официальный сайт Лаборатории вычислительной механики БГТУ.

Герман-Галкин, С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК/ С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: Корона-Век, 2008.-368 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.

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

Размещено на Allbest.ru