Микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора с переменным коэффициентом передачи регулятора

Автоматические микропроцессорные системы регулирования напряжения тягового генератора за счет программных средств могут обеспечить поддержание постоянными заданных запасов устойчивости автоматической системы регулирования по модулю и фазе путем коррекции статических и динамических характеристик автоматической системы регулирования.

В Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» разработана автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тепловоза с регулятором напряжения тягового генератора и регулятором скорости вращения вала дизель-генератора.

АСРН содержит следующие функциональные элементы (см. рис. 6.3.): тяговый генератор (Г, поз. 1), выполняющий функции объекта регулирования напряжения (ОРН); возбудитель (В, поз. 2), выполняющий функции регулирующего органа (РО), изменяющий ток возбуждения I_вгтягового генератора (регулирующее воздействие μ₁ на ОРН); датчик напряжения тягового генератора (поз. 3) U_г (регулируемой величины φ₁), выполняющий функции первого измерительного устройства (ИУ1); датчик тока нагрузки тягового генератора (поз. 4) I_г (возмущающего воздействия λ₁), выполняющий функции второго измерительного устройства (ИУ2); датчик скорости вращения вала дизель-генератора (поз. 5) ω_д (возмущающего воздействия λ₂ для автоматического регулятора напряжения тягового генератора и регулируемой величины φ₂ для автоматического регулятора скорости вращения вала дизель-генератора (АРСДГ, поз. 6)), выполняющий функции третьего измерительного устройства (ИУ3); датчик перемещения реек топливных насосов дизеля (поз. 8) h_р (регулирующего воздействия μ₂ для АРСДГ, подаваемого на вход объекта регулирования скорости вращения вала дизель-генератора (ОРС(ДГ), поз. 7)), выполняющий функции четвертого измерительного устройства (ИУ4); блок возбуждения возбудителя (БВВ, поз. 9), выполняющий функции исполнительного механизма (ИМ), изменяющего ток возбуждения I_вв возбудителя; задающие устройства ЗУ1 ÷ ЗУ4 (поз. 10 ÷ 13 соответственно); сравнивающие устройства СУ5 (поз. 14), СУ1 ÷ СУ4 (поз. 15 ÷ 18 соответственно); устройства коррекции коэффициента передачи регулятора напряжения УК1 и УК2 (поз. 19 и 20); датчик тока возбуждения возбудителя (поз. 21), выполняющий функции пятого измерительного устройства (ИУ5); датчик тока возбуждения тягового генератора (поз. 22), выполняющий функции шестого измерительного устройства (ИУ6). Функциональные элементы ИУ1, ЗУ1, СУ1, ИУ5, ИУ6, УК1, УК2, СУ5, ИМ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по отклонению текущего значения напряжения от заданного значения. Функциональные элементы ИУ2, ЗУ2, СУ2, СУ5, ИМ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по току нагрузки. Функциональные элементы ИУ3, ЗУ3, СУ3, СУ5, ИМ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по скорости вращения вала дизель-генератора. Функциональные элементы ИУ4, ЗУ4, СУ4, СУ5, ИМ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по перемещению реек топливных насосов дизеля h_р. Таким образом, автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тепловоза является комбинированной системой регулирования по отклонению напряжения от заданного значения и по возмущающим воздействиям: току нагрузки генератора I_г, скорости вращения вала дизель-генератора ω_д и по перемещению реек топливных насосов дизеля h_р. Автоматический регулятор скорости вращения (АРСДГ) и объект регулирования скорости вращения (ОРС) образуют автоматическую систему регулирования скорости вращения вала дизель-генератора. Автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора и автоматическая система регулирования скорости вращения вала дизель-генератора связаны межу собой по каналам действия двух сигналов: скорости вращения вала ω_д дизель-генератора и перемещения реек топливных насосов дизеля h_р. На рис. 6.3 η₁ ÷ η₄ – сигналы задания, х_з1 ÷ х_з4 – выходные сигналы задающих устройств ЗУ1 ÷ ЗУ4, х_д1 ÷ х_д6 – выходные сигналы измерительных устройств ИУ1 ÷ ИУ6, х_СУ1 ÷ х_СУ5 – выходные сигналы сравнивающих устройств СУ1 ÷ СУ5, х_УК1и х_УК2 – выходные сигналы устройств коррекции УК1 ÷ УК2.

Принципиальная блок-схема автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства содержит следующие элементы (см. рис. 6.4): тяговый генератор 1, приводимый дизелем, и подключенный к тяговым электродвигателям; возбудитель 2 для питания обмотки возбуждения 3 тягового генератора; датчик напряжения тягового генератора 4; датчик тока нагрузки тягового генератора 5; датчик скорости вращения вала дизель-генератора 6; датчик перемещения реек топливных насосов дизеля 7; датчик тока возбуждения возбудителя 8; датчик тока возбуждения тягового генератора 9; блок управления блоком возбуждения возбудителя 10; блок управления дизелем 11; микропроцессорный контроллер 12. Функции элементов ЗУ1 ÷ ЗУ4, СУ5, СУ1 ÷ СУ4, УК1, УК2 выполняют устройства микропроцессорного контроллера. На рис. 6.4. позициям 13 и 14 соответствуют блок возбуждения возбудителя и обмотка возбуждения возбудителя.

Тяговый генератор 1 и возбудитель 2 обладают динамическими свойствами апериодических звеньев второго порядка. Таким образом, автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора даже в простейшем случае является динамической системой четвертого порядка. Причем, значения всех четырех постоянных времени тягового генератора Т_г1и Т_г2 и возбудителя Т_в1, Т_в2 зависят только от значений активных сопротивлений и индуктивностей силовых цепей и цепей возбуждения. Однако, статические характеристики тягового генератора U_г = f₂(I_вг) и возбудителя U_в = f₁(I_вв) по регулирующему воздействию – току возбуждения (то есть нагрузочные характеристики) существенно нелинейны и описываются нелинейными алгебраическими уравнениями. Поэтому коэффициенты передачи возбудителя k_в = (∂U_в/∂I_в) и тягового генератора k_гμ = (∂U_г /∂I_г) по регулирующему воздействию существенно зависят от тока возбуждения (I_вви I_вгсоответственно) и имеют различные значения при разных режимах работы возбудителя и тягового генератора.

Статические (нагрузочные) характеристики возбудителя и тягового генератора по регулирующему воздействию (по току возбуждения ) U_в(I_вв) и U_г (I_вг) с достаточной точностью описываются выражениями вида:

U_в= А_вarctgВ_в I_вв, (6.1)

U_г = А_гarctgВ_г I_вг. (6.2)

Коэффициенты передачи возбудителя и тягового генератора определяются как производные от выражений (6.1) и (6.2)

k_в = , (6.3)

k_гμ = , (6.4)

где А_в, А_г, В_в и В_г - постоянные коэффициенты, значения которых подбираются при аппроксимации статических характеристик.

Поскольку объект регулирования напряжения – тяговый генератор и регулирующий орган – возбудитель имеют существенно нелинейные статические характеристики, то система регулирования напряжения является нелинейной и показатели качества её работы в большой степени зависят от режимов работы. Коэффициент передачи автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора (находящейся в разомкнутом состоянии) k_рс изменяется в широких пределах при изменении тока нагрузки I_г и напряжения U_г тягового генератора. Это значит, что при разных режимах работы система регулирования будет иметь разные запасы устойчивости и разные показатели качества работы. Известно, что при предельном значении коэффициента передачи автоматической системы регулирования k_{рс пред} линейная система регулирования находится на границе устойчивости и работает в режиме автоколебаний. Если заданное значение коэффициента k_рсзад меньше предельного и соответствует заданным запасам устойчивости системы по модулю и по фазе, то система имеет заданные показатели качества работы. При значениях коэффициента k_рс несколько больше k_{рс зад} система работает с большим перерегулированием, а при значениях коэффициента k_рс несколько меньше k_{рс зад} система работает с малым или нулевым перерегулированием, но с увеличенным временем регулирования. Большой диапазон изменения значений коэффициента k_рс приводит к тому, что при одних режимах работы в системе наблюдаются затянутые переходные процессы, а при других - значительные колебания напряжения U_г и тока нагрузки I_г, что может приводить к возникновению процесса боксования локомотива, к снижению его тяговых свойств и экономичности.

Наиболее действенным способом обеспечения необходимых динамических свойств автоматической системы является введение в неё дополнительного корректирующих элементов, которые корректируют её статические и динамические характеристики. Передаточная функция цепи с параллельным корректирующим элементом

W_ск(р) = W_ни(р) /[1 + W_ни(р)W_ос(р)], (6.5)

где W_ни(р) и W_ос(р) – передаточные функции подлежащей коррекции неизменяемой части системы регулирования и корректирующего элемента (устройства обратной связи) соответственно. Применение коррекции в виде устройства местной отрицательной жесткой обратной связи повышает устойчивость и качество работы системы регулирования. Это непосредственно вытекает из уравнения (6.5) для комплексной частотной функции в диапазоне частот, когда W_ни(jω)W_ос(jω) >> 1.

В этом случае

W_ск(jω) ≈ 1/W_ос(jω), (6.6)

и характеристики системы практически не зависят от характеристик звеньев, охваченных устройством обратной связи, а определяются в основном характеристиками корректирующего элемента. Указанное обстоятельство является большим достоинством параллельного корректирующего элемента.

Для обеспечения высоких показателей качества работы автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора необходимо при всех режимах автоматически поддерживать постоянным значение коэффициента передачи k_рс. Для реализации этого требования в предлагаемой автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения тягового генератора применяется параметрическая компенсация действия токов возбуждения I_вви I_вг на значение коэффициента передачи k_рс, которая осуществляется с помощью устройств коррекции УК1 и УК2 (см. рис. 6.3). Устройства коррекции УК1 и УК2 должны обладать динамическими свойствами пропорционального безинерционного звена, то есть эти устройства в системе должны выполнять функции местных жестких отрицательных обратных связей выхода блока возбуждения возбудителя с его входом (устройство УК1) и выхода возбудителя с входом блока возбуждения возбудителя (устройство УК2). Статические нелинейные характеристики устройств коррекции должны быть такими, чтобы значения их коэффициентов передачи изменялись в обратно пропорциональной зависимости от значений коэффициентов передачи возбудителя k_в и тягового генератора k_гμ , то есть таким образом, чтобы произведения коэффициентов передачи устройств коррекции и коэффициентов передачи возбудителя k_в и тягового генератора k_гμ оставались постоянными при всех режимах работы предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора.