Аннотация
В статье приведен обзор методов управления тяговым электрическим приводом магистральных электровозов в режимах предельных тяговых усилий. Рассмотрены особенности процесса трения колеса и рельса. Приведены зависимости коэффициента сцепления от скольжения колесной пары с учетом погодных условий и наличия третьих тел в зоне контакта колеса и рельса. Приведена классификация динамических режимов электропривода в зависимости от положения рабочей точки коэффициента сцепления. Приведены основные принципы построения расчетной тяговой характеристики магистрального электровоза. На основании расчетной тяговой характеристики сформулированы требования к тяговому электрическому приводу магистральных электровозов. Проведен анализ современных видов тягового электрического привода, применяемых на магистральных электровозах. Рассмотрены электрический тяговый привод с двигателем постоянного тока с независимым возбуждением, электрический тяговый привод с автономным инвертором напряжения с попарным регулированием асинхронных тяговых двигателей и электрический тяговый привод с автономным инвертором напряжения с индивидуальным регулированием асинхронных тяговых двигателей. Рассмотрены системы управления тяговым асинхронным двигателем. Приведены механические характеристики скалярной системы управления асинхронным тяговым двигателем, векторной системы управления асинхронным тяговым двигателем и системы управления с прямым управлением моментом асинхронным тяговым двигателем. Проведен анализ систем управления тяговым усилием электрического тягового привода магистральных электровозов. На основании основных функциональных задач систем управления тяговым усилием произведена декомпозиция систем управления тяговым усилием. Разработана новая классификация способов управления тяговым усилием. На основании анализа теоретических и практических разработок в области тягового привода магистральных электровозов приведены требования к тяговому электрическому приводу магистральных электровозов.
Ключевые слова
Электровоз, электропривод, тяговый электродвигатель, коэффициент сцепления, тяговое усилие, боксование, векторное управление, асинхронный двигатель.
1. Самме Г.В. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами: монография. М.: Маршрут, 2005. 80 с.
2. Lewis R., Olofsson U. Wheel-rail interface handbook. Replica Press Pvt Ltd, 2009. 818 p.
3. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М.: Транспорт, 1983. 328 с.
4. Identification of a Nonlinear Wheel/Rail Adhesion Model for Heavy-Duty Locomotives / J. He, G. Liu, J. Liu, C. Zhang, X. Cheng // IEEE Access. 2018. Vol. 6. Pp. 50424-50432. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2868177
5. Hybrid re-adhesion control method for traction system of high-speed railway. / D.Y. Park, M.S. Kim, D.H. Hwang, J.H. Lee, Y.J. Kim // Proceedings of the Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2001. Pp. 739-742. doi: 10.1109/ICEMS.2001.971782
6. Andreas S. Electric traction–motion power and energy supply: basics and practical Experience. Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 2014. 416 p.
7. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. М.: Машиностроение, 1991. 192 с.
8. Spiryagin M., Cole C., Sun Y.Q., McClanachan M., Spiryagin V., McSweeney T. Design and Simulation of Rail Vehicles. Boca Raton: CRC Press, 2014. 337 p. doi: 10.1201/b17029
9. Ротанов Н.А. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями. М.: Транспорт, 1991. 329 с.
10. Brenna M., Foiadelli F., Zaninelli D. Electrical Railway Trasporation Systems. Wiley–IEEE Press, 2018. 622 p.
11. Novel anti-slip/slide control algorithm for Korean high-speed train / H.J. Ryoo, S.J. Kim, G.H. Rim, Y.J. Kim, M.S. Kim // 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON). IEEE, 2003. Pp. 2570-2574. doi: 10.1109/IECON.2003.1280651
12. Pati S., Patnaik M., Panda A. Comparative performance analysis of fuzzy PI, PD and PID controllers used in a scalar controlled induction motor drive // International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies (ICCPCT). IEEE, 2014. Pp. 904-909. doi: 10.1109/ICCPCT.2014.7054799
13. Srilad S., Tunyasrirut S., Suksri T. Implementation of a Scalar Controlled Induction Motor Drives // SICE-ICASE International Joint Conference. IEEE, 2006. Pp. 3605-3610. doi: 10.1109/SICE.2006.314749
14. Blaschke F. The principle of field-orientation as applied to the transvector closed loop control system for rotating-field machines // Siemens Rev. 1972. Vol. 34 (1). Pp. 217-220.
15. Ключников А.Т., Турпак А.М. Бездатчиковое векторное управление асинхронным двигателем при расчёте в комплексной форме // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2020. № 33. С. 160-176. doi: 10.15593/2224-9397/2020.1.10
16. Takahashi I., Noguchi T. A new quick-response and high-efficiency control strategy of induction motors // IEEE Transactions on Industry Applications. 1986. Vol. 22(5). Pp. 820-827. doi: 10.1109/TIA.1986.4504799
17. Improved Performance of CFTC-based Direct Torque Control of Induction Machines by Increasing Torque Loop Bandwidth / I.M. Alsofyani, J.H. Lee, B.M. Han, K.B. Lee // International Power Electronics Conference (IPEC). IEEE, 2018. Pp. 466-470. doi: 10.23919/IPEC.2018.8507989
18. Ludtke I., Jayne M.G. Direct torque control of induction motors // IEE Colloquium on Vector Control and Direct Torque Control of Induction Motors. IET, 1995. Pp. 6/1-6/6. doi: 10.1049/ic:19951113
19. Симонович А.В., Петренко Ю.Н. Прямое управление моментом асинхронного привода троллейбуса // Инновационные технологии, автоматизация и мехатроника в машино- и приборостроении: материалы международной научно-практической конференции. Минск, 2012. С. 157-158.
20. Карандеев Д.Ю., Энгель Е.А. Прямое управление моментом асинхронного двигателя с использованием адаптивного нейроконтроллера в условиях неопределенности // Науковедение. 2015. №5. С. 1-7.
21. The proposal of re-ahdesion control method with the advantage of individual control system / O. Yamazaki, S. Fukasaws, S. Ohashi, K. Kondo // International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles (ESARS). IEEE, 2015. Pp. 1-6. doi: 10.1109/ESARS.2015.7101510
22. Improvement of re-adhesion for commuter trains with vector control traction inverter / I. Yasuoka, T. Henmi, Y. Nakazawa, I. Aoyama // Proceedings of Power Conversion Conference (PCC). IEEE, 1997. Pp. 51-56. doi: 10.1109/PCCON.1997.645585
23. Hahn J-O., Rajamani R., Alexander L. Gps-based real-time identification of tire-road friction coefficient // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2002. Vol. 10(3). Pp. 331-343. doi: 10.1109/87.998016
24. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт, 1965. 267 с.
25. Моделирование системы управления тягой и торможением магистрального грузового тепловоза в программных комплексах Matlab и «Универсальный механизм» / Г.А. Федяева, В.В. Кобищанов, С.Ю. Матюшков, А.Н. Тарасов // Вестник Брянского государственного технического университета. 2013. № 3. С. 147-151.
26. Advanced anti-slip and anti-skid re-adhesion control considering Air Brake for Electric Train / S. Kadowaki, K. Ohishi, T. Hata, T. Sano, S. Yasukawa // European Conference on Power Electronics and Applications. IEEE, 2005. Pp. 1-10. doi: 10.1109/EPE.2005.219367
27. Taking Traction Control to Task: High-Adhesion-Point Tracking Based on a Disturbance Observer in Railway Vehicles / L. Diao, L. Zhao, Z. Jin, L. Wang, S.M. Sharkh // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2012. Vol. 11(1). Pp. 51-62. doi: 10.1109/MIE.2016.2644699
28. Pichlik P. Implementations of UKF and EKF for Wheel Slip Control Purpose to Locomotive Computer // International Conference on Applied Electronics (AE). IEEE, 2018. Pp. 1-4. doi: 10.23919/AE.2018.8501444
29. Garcıa-Rivierav M., Sanz R., Perez-Rodrıguez J.A. An anti-slipping fuzzy logic controller for a railway traction system // Proceedings of the Sixth IEEE International Conference on Fuzzy Systems. IEEE, 1997. Pp. 119-124. doi: 10.1109/FUZZY.1997.616355
30. Gadjar T., Rudas I., Suda Y. Neural network based estimation of friction coefficient of wheel and rail // IEEE International Conference on Intelligent Engineering Systems. IEEE, 1997. Pp. 315-318. doi: 10.1109/INES.1997.632437
31. Anti-slip control system of Korean High- Speed Train / D.H. Hwang, M.S. Kim, J.W. Jeon, J.H. Lee, D.Y. Park, Y.J. Kim, H.J. Ryoo, J.S. Kim // Computers in Railways VII. 2000. Pp. 613-622. doi: 10.2495/CR000591
32. Moaveni B., Fathabadi F.R., Molavi A. Supervisory Predictive Control for Wheel Slip Prevention and Tracking of Desired Speed Profile in Electric Trains // ISA Transactions. 2020. Vol. 101. Pp. 102-115. doi: 10.1016/j.isatra.2020.01.011
Харисов И.Р., Карякин А.Л. Законы и способы управления тяговым усилием электроприводов магистрального // Электротехнические системы и комплексы. 2022. № 4(57). С. 60-68. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2022-4(57)-60-68