Zygmunt SZYMAŃSKI* STEROWANIE OPTYMALNE

Nr 49
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 21
Nr 49
2000
indukcyjny silnik trakcyjny,
sterownik mikroprocesorowy,
sterowanie bezpośrednie DTC
Zygmunt SZYMAŃSKI*
STEROWANIE OPTYMALNE TRAKCYJNYCH POJAZDÓW KOŁOWYCH
NAPĘDZANYCH SILNIKAMI INDUKCYJNYMI
Przedstawiono wybrane układy napędowe trakcyjnych pojazdów kołowych napędzanych
silnikami indukcyjnymi zasilanymi z tranzystorowego falownika napięcia oraz hybrydowe układy
napędowe złożone z silnika spalinowego i z elektrycznych silników trakcyjnych zasilanych z
tranzystorowego zasilacza przekształtnikowego. Zamieszczono algorytmy sterowania oraz diagnostyki
układu napędowego pojazdu zapewniające: płynny rozruch pojazdu, energooszczędną regulację
prędkości jazdy, hamowanie elektryczne odzyskowe oraz hamowanie dynamiczne współpracujące z
hamulcami mechanicznymi, a także ocenę stanu technicznego wybranych systemów pojazdu.
Algorytmy sterowania zapewniają pracę bezpoślizgową w szerokim zakresie zmian prędkości jazdy
pojazdu. Mikroprocesorowy sterownik pojazdu (16-bitowy mikrokomputer jednoukładowy) zapewnia
sterowanie optymalne pojazdu kołowego oraz bieżącą kontrolę wybranych parametrów
eksploatacyjnych pojazdu: prędkość jazdy, napięcie zasilania, prądy silników napędowych,
temperatura uzwojeń silnika, stopień rozładowania baterii akumulatorów. W stanach awaryjnych
układ sterownika umożliwia diagnostykę stanu technicznego obwodów elektrycznych pojazdu.
Zamieszczono wyniki symulacji komputerowych modelu matematycznego pojazdu kołowego
przeprowadzone dla wybranych stanów dynamicznych pojazdu kołowego: rozruch, zmiana
przełożenia przekładni, hamowanie manewrowe, hamowanie awaryjne. Obliczenia przeprowadzono
za pomocą programów symulacyjnych: Matlab-Simulink oraz TCAD 6.2. Podano także niektóre
wyniki badań laboratoryjnych modelu pojazdu kołowego napędzanego dwoma silnikami
indukcyjnymi o mocy 5 kW zasilanych z tranzystorowych falowników napięcia.
1. WSTĘP
Współczesne układy napędowe kołowych pojazdów trakcyjnych powinny zapewniać:
energooszczędność i niezawodność pracy, odporność na zwarcia i przeciążenia występujące
w stanach normalnej i awaryjnej pracy. W pojazdach trakcyjnych o mocach znamionowych do
100 kW korzystne rezultaty uzyskuje się przez zastosowanie nowych rozwiązań silników
trakcyjnych (silniki indukcyjne, silniki z magnesami trwałymi, napędy hybrydowe),
zastosowanie zasilaczy przekształtnikowych (tranzystory IGBT, tyrystory GTO, moduły IPM
______________
* Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa, Politechnika Śląska, ul. Akademicka 2, Gliwice.
213
tranzystorowe lub IPM tyrystorowe) oraz przez wprowadzanie układów sterowników
mikroprocesorowych do układów sterowania. Nowoczesne sterowniki DSP umożliwiają
realizację złożonych algorytmów sterowania przy praktycznie sinusoidalnym napięciu zasilania.
W referacie zamieszczono propozycję zastosowania układów sterowania bezpośredniego w
kołowych pojazdach trakcyjnych. Przedstawiono wybrane układy zasilania pojazdów
trakcyjnych: szynowych i kołowych zasilanych z tranzystorowych zasilaczy przekształtnikowych
(zbudowanych z tranzystorowych układów IPM), napędzanych silnikami indukcyjnymi ze
sterowaniem typu DTC i FOC, zamieszczono także propozycję napędu hybrydowego (silnik
spalinowy współpracujący z napędem elektrycznym) kołowego pojazdu trakcyjnego.
Przedstawiono algorytmy sterowania oraz diagnostyki układu napędowego pojazdu
zapewniające: płynny rozruch pojazdu, energooszczędną regulację prędkości jazdy, hamowanie
elektryczne odzyskowe oraz hamowanie dynamiczne współpracujące z hamulcami
mechanicznymi, a także ocenę stanu technicznego wybranych systemów pojazdu. W pracy
zamieszczono także niektóre wyniki symulacji komputerowych modelu matematycznego
pojazdu kołowego przeprowadzonych dla wybranych stanów dynamicznych pojazdu kołowego:
rozruch, hamowanie manewrowe, hamowanie awaryjne. Obliczenia wykonano za pomocą
programów symulacyjnych: Matlab-Simulink oraz TCAD 6.2. Wyniki symulacji
komputerowych były częściowo zweryfikowane badaniami laboratoryjnymi modelu pojazdu
trakcyjnego. Wyniki badań laboratoryjnych potwierdziły celowość wprowadzania napędu
elektrycznego i hybrydowego do trakcyjnych pojazdów kołowych.
2. SILNIKI NAPĘDOWE ELEKTRYCZNYCH POJAZDÓW TRAKCYJNYCH
Przy doborze silników trakcyjnych (silniki indukcyjne, silniki z magnesami trwałymi)
do pojazdów kołowych istotną rolę odgrywają zagadnienia materiałooszczędności i
energooszczędności [1, 8, 9]. W odmianach silników materiałooszczędnych parametry
eksploatacyjne (sprawność, współczynnik mocy) nie odgrywają pierwszorzędnej roli,
ponieważ silniki te są przeważnie przewidziane do stosowania w układach napędowych
pracujących przez określoną liczbę godzin w roku (np. 100 h). Dąży się wówczas do
możliwie dużego stopnia wykorzystania materiałów czynnych (blacha elektrolityczna, miedź
nawojowa, magnesy trwałe, aluminium na klatki wirnika), zakłada się, że przyrosty
temperatury uzwojeń stojana nie przekroczą temperatur dopuszczalnych dla danej klasy
izolacji, natomiast przyrosty temperatury magnesów trwałych nie spowodują znacznego
pogorszenia ich właściwości magnetycznych. Znaczne oszczędności materiałowe uzyskuje
się przez: zmianę długości pakietu żelaza, dobór określonego typu uzwojenia stojana, dobór
magnesu trwałego, odpowiedni dobór wymiarów żłobków stojana i wirnika, zmiany skosu
żłobków [1, 9]. W odmianach energooszczędnych ekstremalne wartości sprawności i
współczynnika
mocy
uzyskuje się m.in. przez wzrost zużycia materiałów czynnych, dobór właściwego układu
magnesów trwałych. W indukcyjnych silnikach trakcyjnych jest to związane z zastąpieniem
klatki pojedynczej klatką podwójną, zamianą materiału klatki z Al na Cu, zmniejszeniem
wielkości szczeliny powietrznej, zastosowaniem blach cieńszych o mniejszej stratności,
214
wprowadzeniem specjalnego uzwojenia o dużym współczynniku wypełnienia żłobka,
zastosowaniem materiałów izolacyjnych wyższej klasy, wprowadzeniem nowych systemów wentylacyjnych oraz z poprawą jakości procesu technologicznego i produkcyjnego
[1, 8, 9]. W silnikach trakcyjnych z magnesami trwałymi jest to związane z doborem
odpowiedniej konfiguracji stojana i wirnika (preferowana jest konstrukcja dyskowa silnika),
rodzajem magnesu trwałego i sposobem jego rozmieszczenia (najlepsze efekty uzyskuje się
dla silników z osiowym wymuszeniem strumienia magnetycznego i z magnesami trwałymi
typu Nd-Fe-B przymocowanymi do tarczy wirnika), a także doborem odpowiedniego
zasilacza [8, 9]. W całkowitym bilansie kosztów inwestycyjnych związanych z produkcją
i z eksploatacją silników energooszczędnych trzeba również uwzględniać koszty mocy
biernej pobieranej ze źródła zasilania przy przeciętnym poziomie techniki układów
sterowania i regulacji pojazdów kołowych. Przy projektowaniu silników energooszczędnych
należy uwzględniać zagadnienia oszczędności energii oraz problemy minimalizacji kosztów
użytkowania zależne od rodzaju układu napędowego i od jego przeznaczenia. Szczególnym
sposobem napędu pojazdów kołowych i szynowych jest napęd hybrydowy. Układ napędowy
pojazdu składa się z silnika spalinowego, napędzającego przez przekładnię zestawy kołowe,
oraz dwóch lub czterech silników elektrycznych umieszczonych bezpośrednio na kołach
pojazdu, zasilanych z zasilacza przekształtnikowego. Wypadkowa moc silników
napędowych pojazdu hybrydowego jest równa mocy silnika spalinowego zastosowanego
w pojeździe spalinowym. Rozwiązanie to zapewnia ograniczone zużycie paliwa, większą
żywotność baterii akumulatorów, przy niezmienionych parametrach dynamicznych pojazdu:
prędkość maksymalna, przyspieszenie, moment napędowy. Opis napędu hybrydowego
pojazdu kołowego zamieszczono w pracy [6].
3. METODY STEROWANIA TRAKCYJNYCH POJAZDÓW KOŁOWYCH
NAPĘDZANYCH SILNIKAMI INDUKCYJNYMI
Napędy pojazdów trakcyjnych są układami wymagającymi szerokiego zakresu regulacji
prędkości obrotowej, zmiany kierunku jazdy oraz charakteru pracy silnika napędowego (praca
silnikowa, praca hamulcowa). W napędach pojazdów trakcyjnych z silnikami indukcyjnymi
konieczne jest stosowanie metod sterowania wektorowego lub metod sterowania bezpośredniego
silników trakcyjnych: sterowanie polowo-zorientowane (FOC) oraz sterowanie DTC
(bezpośrednie sterowanie momentem) lub NFO (bezpośrednie sterowanie strumieniem). Metody
FOC umożliwiają sterowanie pracą silnika napędowego przez określenie kompleksora
strumienia magnetycznego stojana oraz momentu elektromagnetycznego silnika na podstawie
pomiarów wartości napięć i prądów silnika. W rozwiązaniach praktycznych stosuje się m.in.:
metodę estymacji wektora strumienia magnetycznego i momentu elektromagnetycznego oraz
metodę regulacji prądu zasilacza przekształtnikowego z modulacją MSI. Do estymacji
kompleksora strumienia magnetycznego stosuje się obserwatory stanu, natomiast regulację prądu
zasilacza przekształtnikowego można zrealizować za pomocą nieliniowych regulatorów
histerezowych lub liniowych regulatorów PI. W napędach trakcyjnych stosuje się często
sterowanie FOC z minimalizacją strat mocy czynnej w trakcyjnych silnikach napędowych [4, 5,
9].
215
Metoda DTC [1, 2, 3, 4] umożliwia sterowanie pracą trakcyjnego silnika indukcyjnego
przez określanie chwilowych wartości strumienia magnetycznego i prądu fazowego silnika
na podstawie zmierzonych parametrów układu zasilania silnika trakcyjnego. Metodę DTC
wyjaśniono na rys. 1. Podstawowym elementem systemu jest bezpośredni regulator
momentu strumienia z układem Logiki Optymalnych Przełączeń. Na podstawie pomiarów
prądu fazowego silnika oraz napięcia w obwodzie pośredniczącym oblicza się: moment
elektromagnetyczny, strumień magnetyczny stojana oraz prędkość obrotową silnika.
Wartości obliczone są porównywane z wartościami zadawanymi w dwupoziomowym
regulatorze histerezowym, który generuje odpowiednie sygnały sterujące do układu logiki
przełączeń. Optymalne przełączenia realizuje blok ASIC. Sygnały wyjściowe (S1, S2, S3)
modułu mocy umożliwiają odpowiednie wysterowanie zasilacza silnika trakcyjnego. Metoda
DTC wymaga dokładnego modelu matematycznego silnika trakcyjnego oraz układu sterownika mikroprocesorowego o dużej szybkości obliczeń.
Rys. 1. Schemat blokowy bezpośredniego sterowania momentem
Fig. 1. Block scheme of DTC control of transistor voltage inverter
4. TRANZYSTOROWE UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWE DO ZASILANIA
ELEKTRYCZNYCH POJAZDÓW KOŁOWYCH
Układy napędowe z silnikami indukcyjnymi zasilane z tranzystorowych układów
przekształtnikowych są coraz częściej stosowane w napędach pojazdów trakcyjnych:
lokomotywy elektryczne, samochody elektryczne. Tranzystorowe zasilacze pojazdów
elektrycznych powinny zapewniać możliwość generowania przebiegów napięć i prądów
wyjściowych zbliżonych do przebiegów sinusoidalnych w szerokim zakresie zmian
częstotliwości. Prowadzi to do: minimalizacji zawartości wyższych harmonicznych,
zmniejszenia strat dodatkowych oraz do zmniejszenia poziomu zakłóceń radioelektrycznych
[5, 6, 7]. W układach zasilania pojazdów napędzanych silnikami indukcyjnymi stosuje się
tranzystorowe falowniki napięcia lub przerywacze AC ze sterownikami typu: FOC, DTC
216
zbudowanymi na podstawie sterowników typu DSP. Na rysunku 2 przedstawiono schemat
trójfazowego falownika napięcia ze sterownikiem mikroprocesorowym. Obwód siłowy
falownika zawiera: układ mostkowy 6 tranzystorów IGBT zbocznikowanych diodami
zwrotnymi, przetworniki pomiarowe: prądu, napięcia i prędkości obrotowej, układ
hamowania dynamicznego oraz bloku zabezpieczeń: przeciążeniowych zwarciowych,
napięciowych i temperaturowych. Obwód sterowania stanowią: sterownik bramkowy oraz
mikrokontroler. Sterownik bramkowy przetwarza sygnały mikrokontrolera sterujące
obwodami bramkowymi na odpowiednie poziomy napięć. Analogowe sygnały napięcia i
prądu zasilania po porównaniu w komparatorach z sygnałami zadanymi informują przez port
wejściowy mikrokontrolera o stanie pracy falownika (zwarcie, przeciążenie, za duża lub
zbyt mała wartość napięcia, za wysoka temperatura). W zależności od wartości tych
sygnałów następuje blokada impulsów sterujących lub zmiana algorytmu pracy sterownika.
Impulsy sterujące są generowane przez moduły PWM lub HSO mikrokontrolera. W
rozwiązaniach praktycznych stosuje się bloki modułowe tranzystorów IGBT 3 generacji lub
układy Inteligentnych Modułów Mocy (IPM) [5].
Na rysunku 3 przedstawiono schemat układu zasilania silnika indukcyjnego
zawierający trójfazowy przerywacz stykowy prądu zmiennego sterowany ze sterownika
mikroprocesorowego z modulacją szerokości impulsów PWM [5]. Układ ten zawiera cztery
dwudrogowe łączniki prądu zmiennego złożone z układu dwóch tranzystorów IGBT
przeciwsobnie połączonych, zbocznikowane diodami zwrotnymi. Układ przerywacza
stykowego AC może być zasilany z trójfazowej sieci prądu zmiennego lub z sieci prądu
stałego przez prosty falownik napięcia o stałej częstotliwości sygnału wyjściowego. W
układzie zastosowano przetworniki prądów sieciowych: IR, IT, przetworniki prądów
fazowych silnika: Im1, Im2 oraz przetworniki napięć zasilających: URS, UST. Układ
przerywacza stykowego AC umożliwia przeprowadzenie miękkiego rozruchu lokomotywy
oraz realizację algorytmów sterowania zapewniających minimalizację strat energii w silniku
trakcyjnym [6].
5. NAPĘD GRUPOWY POJAZDU KOŁOWEGO ZE STEROWNIKIEM TYPU DTC
Schemat blokowy falownika z układem sterowania przedstawiono na rys. 5. W modelu
fizycznym falownika zastosowano tranzystory IGBT typu PM50RHA060. Moduł
inteligentny IPM umożliwia realizację zabezpieczeń od skutków zwarć międzyfazowych,
skrośnych, przeciążeń. Dzięki temu łatwa jest kontrola i programowa ocena stanu pracy
falownika. Schemat blokowy inteligentnego modułu mocy przedstawiono na rys. 4. Przyjęta
koncepcja sterowania napędem grupowym dwóch silników trakcyjnych pojazdu kołowego
oparta jest na zastosowaniu ograniczenia prądowego.
Sterowanie mikroprocesorowe z zastosowaniem sterownika, złożonego z
mikrosterownika wyposażonego w wewnętrzny układ przetwornika analogowocyfrowego (pomiar prądu fazowego i napięcia obwodu pośredniczącego prądu stałego)
oraz generatora fali PWM (modulacja PWM z sygnałem nośnym), umożliwia
programową realizację przyjętego wariantu sterowania. Dla stałej częstotliwości
napięcia zasilającego silniki trakcyjne zmniejszanie wartości prądu fazowego poniżej
217
przyjętego ograniczenia (3,5 In), realizowane jest poprzez zmniejszanie amplitudy
napięcia. Zmniejszanie wartości napięcia w celu zmniejszenia wypadkowego prądu,
pobieranego przez napęd grupowy dwóch silników, pociąga za sobą znaczne
zmniejszenie momentu obrotowego. Pomiar prądu jest wykonywany w dwóch etapach:
pomiar wstępny – oceniający wartość prądu, oraz pomiar kontrolny – sprawdzający, czy
wartość prądu pomiarowego jest mniejsza od ograniczenia prądowego. Po wykonaniu
pomiaru wstępnego warunki napięciowe są programowo dobierane w ten sposób, aby
wartość prądu została sprowadzona (utrzymana) poniżej wartości ograniczenia
prądowego. Jeżeli pomiar prądu wykaże, że prąd pobierany z falownika jest większy od
wartości ograniczenia prądowego, to następuje zablokowanie falownika (wyłączenie).
Istotę algorytmu sterowania przedstawiono na rys. 4. Oprogramowanie napisano w
języku programowania „Asembler” dla mikrosterownika zbudowanego na bazie
mikrosterowników rodziny MCS–51. W zespole sterownika mikroprocesorowego przewidziano: mikrosterownik z wewnętrznie wbudowanym przetwornikiem
A/C (SAB80C537) oraz generator fali PWM (MA828). Program sterujący, oprócz
realizacji algorytmu sterowania, gwarantuje kontrolę podstawowych sygnałów z
czujnika napięcia oraz sygnału błędu z modułu inteligentnego IPM – FO, przez układ
mikrosterownika. Zaprojektowany i wykonany falownik przeznaczony do zasilania
modelu lokomotywy elektrycznej, zabezpieczony jest od skutków następujących stanów
zakłóceniowych: skutków zwarć międzyfazowych w liniach zasilanych, przeciążeń,
zwarć skrośnych, nadmiernego wzrostu napięcia w obwodzie pośredniczącym prądu
stałego, nadmiernego zmniejszenia się napięcia zasilającego silniki, zwarć doziemnych,
nadmiernego wzrostu temperatury zespołu tranzystorów IGBT. Zabezpieczenia od
skutków stanów awaryjnych realizowane są sprzętowo i programowo. Sprzętowe
zabezpieczenia realizowane są przez moduł inteligentny IPM (zabezpieczenie od zwarć
międzyfazowych, skrośnych, zabezpieczenie temperaturowe) oraz zastosowane na obu
odpływach zabezpieczenia termobimetalowe – umożliwiające selektywną ochronę
silników trakcyjnych od przeciążeń.
218
Rys. 2. Schemat blokowy tranzystorowego falownika napięcia
Fig. 2. Block scheme of transistor voltage inverter
Rys. 3. Tranzystorowy przerywacz AC
Fig. 3. Three- phase transistor chopper AC
219
Rys. 4. Inteligentny moduł mocy w układzie zasilania silnika indukcyjnego
Fig. 4. Intelligent power modulus induction motor supply system
6. ALGORYTMY STEROWANIA
KOŁOWEGO POJAZDU TRAKCYJNEGO
Przy doborze i projektowaniu indukcyjnych silników trakcyjnych w wersji
energooszczędnej do napędu pojazdów kołowych i szynowych muszą być zastosowane
metody optymalizacji wielokryterialnej [6, 8, 9]. W zależności od układu napędowego
pojazdu kołowego funkcja celu silnika trakcyjnego musi uwzględniać zarówno zagadnienia
energooszczędności, jak i koszty użytkowania i produkcji silnika. Muszą więc być spełnione
następujące warunki:
{
max η n x ∈ X ( y ), y ∈ Y , C m ( x, y ) ≤ 1,3 C m0
min{C m , C0 } dla x ∈Y ( y1 )
}
(1)
(2)
gdzie: Cm = mCucCu + mAlcAl + mFecFe + miz ciz – koszt użytkowania materiałów czynnych,
C m0 = mCucCu + mAlcAl + mFecFe + mizciż + mmagcmag – koszt użytkowania materiałów
czynnych silnika z magnesami trwałymi,
C0 – koszt użytkowania silnika,
C m0 – koszt użytkowania silnika wykonanego z określonych materiałów,
ηn – sprawność znamionowa silnika,
x, y – współrzędne wektorów będących zmiennymi optymalizacyjnymi,
X, Y – zbiory wielkości dopuszczalnych.
Rozwiązanie warunku (5) musi być zrealizowane przy narzuceniu zbioru funkcji
ograniczających. W skład zbioru funkcji ograniczających wchodzą m.in: względny moment
rozruchowy, względny prąd rozruchowy, względny moment krytyczny, względny prąd biegu
220
jałowego, poślizg znamionowy, przyrost temperatury uzwojeń stojana, współczynnik
zapełnienia żłobka, gęstość prądu stojana i wirnika, średnice zewnętrzne blach stojana
i wirnika, koszt użytkowania silnika. Jako zmienne dyskretne yi wektora y przyjmuje się
m.in.: liczbę gałęzi równoległych, liczbę żłobków stojana i wirnika, rodzaj uzwojenia.
W przypadku silników z magnesami trwałymi istotną rolę odgrywają: wymiary magnesu
trwałego, jego parametry magnetyczne oraz sposób zamocowania magnesów. Wektor x
obejmuje zmienne określające możliwe rozwiązania konstrukcyjne silnika. Do obliczeń
optymalizacyjnych przyjmuje się następujące funkcje kryterialne: ma – masa materiałów
aktywnych, ηn – sprawność znamionowa silnika, sn – poślizg znamionowy, Pn – moc
znamionowa, ∆υ – przyrost temperatury uzwojeń stojana. W obliczeniach
optymalizacyjnych przeprowadza się analizę granicznych rozwiązań konstrukcyjnych
silnika. Rozpatruje się następujące przypadki:
max Pn , min ∆υ , max η n , min ma , max s n , max η n , min ma
(3)
Warunki (3) umożliwiają określenie optymalnych konstrukcji silnika z
uwzględnieniem wymagań eksploatacyjnych. Ruch pojazdu kołowego odbywa się po trasach
o określonej konfiguracji i strukturze. Podstawowym wskaźnikiem jakości pracy układu (dla
pojazdu szynowego) jest zapewnienie optymalnej zdolności przewozowej, realizowanej
przez utrzymanie zadanego rozkładu jazdy. Podstawowym wskaźnikiem jakości pracy
pojazdu kołowego jest przejazd określonego odcinka trasy w optymalnym czasie przy
minimalnym zużyciu energii elektrycznej. Ze względu na zdolności przewozowe celowe
jest, aby przejazd był zrealizowany w optymalnym czasie przy ograniczonym zużyciu
energii elektrycznej. Wiąże się to z minimalizacją wskaźnika jakości zdefiniowanego jako:
tj
J1 =
∫ {q E [(1 − k H )FP (t ) + (1 + k H ) FP (t ) ]υ p (t ) + q R FP (t )}dt
2
(4)
0
gdzie: tj – zadany czas przejazdu danego odcinka trasy,
kH – stosunek kosztów pracy potrzebnej do jazdy do sumy kosztów jazdy i hamowania,
qE, qR – współczynniki wagowe określające udział kosztów poboru energii i strat
mocy w bilansie energetycznym układu.
Parametry jazdy określa się, rozwiązując równania ruchu pojazdu dla zadawanych wartości
czasu i drogi przejazdu określonych odcinków trasy [5]. Wielkości te są obarczone błędami,
wynikającymi z różnic między obliczonymi a rzeczywistymi wartościami: oporów trakcji, sił
pociągowych oraz mocy mechanicznej pojazdu. Wielkości błędów można ograniczyć, określając
wrażliwość
przyjętego
wskaźnika
na
zmiany
poszczególnych
parametrów.
W układach praktycznych powinno się stosować sterowanie suboptymalne: adaptacyjne lub
nadążne, sprowadzające się do minimalizacji wskaźnika jakości zdefiniowanego jako:
tj
Jn =
f l ε l2
(t ) +
f v ε v2
(t ) + ∫ [ql ε l2 (t ) + qvε v2 (t ) + q R FP2 (t )]dt
0
(5)
221
gdzie: εl(t) = lz(t) – lR(t) – różnica między zadaną a rzeczywistą zmianą drogi,
εv(t) = vZ(t) – vR(t) – różnica między zadaną a rzeczywistą prędkością jazdy pojazdu,
fl, fv, ql, qR, qv – współczynniki wagowe poszczególnych parametrów jazdy.
W stanach awaryjnych, kiedy dąży się do likwidacji powstałych zaburzeń ruchu
pojazdów szynowych (opóźnień) w możliwie krótkim czasie, wskaźnik optymalizacji
przyjmuje postać:
t

= ∑  ∫ [ N FP (t ) +
k =1  0

N
J aw

N

]
F
(
t
)
ν
(
t
)
dt
q
t
(
k
)
+

N P
Pk
T∑ j
k =1

(6)
gdzie qT – współczynnik wagowy funkcji czasu.
Algorytm sterowania powinien obejmować wyznaczanie analitycznych aproksymacji
jednostkowego zużycia energii w funkcji czasu przejazdu danego odcinka trasy oraz obliczenie
awaryjnych czasów przejazdów z warunku równości zużycia energii w poszczególnych
odcinkach trasy, przy spełnieniu dodatkowych warunków uwzględniających narzucone
priorytety [5, 9]. Przykładowy algorytm sterowania napędu grupowego silników trakcyjnych
lokomotywy elektrycznej przedstawiono na rys. 7. Układ sterowania pojazdu grupowego powinien także zapewniać bieżącą kontrolę podstawowych parametrów zasilania: napięcie zasilania,
prąd silnika, stopień rozładowania baterii akumulatorów, oraz parametrów eksploatacyjnych
pojazdu: prędkość jazdy, prędkość obrotowa silnika trakcyjnego, droga przejazdu, temperatura
uzwojeń silnika, a także zapewniać sygnalizację stanów pracy awaryjnej układu zasilania,
hamowania i przeniesienia napędu. Obsługa pojazdu jest informowana o stanach awaryjnych
świeceniem się diod elektroluminescencyjnych oraz komunikatem na wyświetlaczu
alfanumerycznym. W zależności od stopnia uszkodzenia pojazdu ograniczana jest prędkość
jazdy lub w skrajnych przypadkach następuje wyłączenie zasilania. Szczegółowy algorytm
diagnostyki i kontroli parametrów eksploatacyjnych pojazdu kołowego przedstawiono
w pracy [9].
222
CU
{
MA828
C
Sep.
Sep UZ
K
Gen. 3_fali
IPM
S1...S6
RH TH
Falownik
MSI
fn
St. H
Zał./Wył.
St. f
Rozruch.
Zał
S7
W
µP
ZC
St. U
fogr =200 Hz
ZC
CI
UP
Ip
Up
Tr
U
V
W
WER 1,2-8
M
3~
WER 1,2-8
M
3~
Rys. 5. Schemat blokowy układu sterowania falownika zasilającego silnik trakcyjny
Fig. 5. Block scheme of control system of inverter supllied of traction motor
7. WYNIKI SYMULACJI DLA WYBRANYCH WARUNKÓW PRACY
MODELU POJAZDU KOŁOWEGO
Dla sprawdzenia poprawności opracowanych algorytmów sterowania modeli
matematycznych pojazdów kołowych i szynowych napędzanych jednym lub dwoma
silnikami trakcyjnymi przeprowadzono obliczenia symulacyjne, wykorzystując procedury
programów symulacyjnych TCAD’6.2 oraz Matlab–Simulink. Dla różnych sposobów
sterowania (sterowanie wektorowe, sterowanie bezpośrednie) przeprowadzono analizę:
rozruchu silnika trakcyjnego dla różnych momentów obciążenia, zmianę warunków
obciążenia silnika, zmianę parametrów zasilania: napięcie zasilania i częstotliwość dla stałej
mocy i stałego momentu, hamowanie elektryczne i hamowanie mechaniczne układu
napędowego. Częściowe wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 7, 8 i 9. Na rys. 7
przedstawiono wyniki symulacji dla modelu układu przemiennika częstotliwości ze
sterowaniem FOC, a na rys. 8 przebiegi prądu fazowego silnika i prędkości obrotowej przy
rozruchu. Na rys. 9 przedstawono wyniki symulacji dla modelu układu przemiennika
częstotliwości przy zastosowaniu stałej częstotliwości wyjściowej i ograniczeniu napięcia w
czasie rozruchu dla zmniejszenia prądu rozruchowego. Jest to typowa charakterystyka
zasilania pojazdu kołowego. Przedstawiono przebiegi prądu fazowego silnika oraz prędkości
obrotowej.
223
START
Sprawdzanie wy1
czujnika napięcia
Cz_U (P0.0)
wy1=0
(P0.0 ->0)
tak
Czy
została odłączona
sieć 3x220 [V]/50 [Hz]
Cz_U: wy1=1
(P0.0->1)
nie
tak
nie
Inicjacja układu MA828.
Ustawienie maski przerwań: T0 i T1.
Ustawienie wejścia analogowego P7.0
Warunek blokady
R5
tak
O
Czy
naciśnieto przycisk
"Kasowanie"
(R5=0H)
Sprawdzanie stanu przcisku
kasowania
(wykorzystany R5)
tak
bs
łu
ga
pr
ze
rw
Czy blokada jest
zrealizowana
an
ia
od
ze
ga
ra
-li
cz
nie
ni
ka
T0
nie
[m
s]
wa n
zer
a pr
ia o
tak
Ustawienie nowej wartości
amplitudy napięcia wyjściowego
w zależności od wartości I
ra
eg a
wy1=1
(P0.0 ->1)
dz
Blokowanie falownika.
Ustawienie sygnału
blokady R5=01H
łu g
Procedura
blokowania falownika
6
Pomiar prądu fazowego I
Cz_I: P7.0
Obs
Sprawdzanie wy1
czujnika napięcia
Cz_U (P0.0)
co
n
-licz
co 3
Ustawienie
liczników: T1 i T0
[ms
]
Sprawdzanie wy2
czujnika napięcia
Cz_U (P0.1)
T1
ika
nie
nie
Czy
Cz_U: wy2=1
(P0.1=1)
Zwłoka czasowa
ok. 65 [ms]
Wysterowanie przerywacza
TH (siódmy zawór)
(P0.4->0)
tak
wy2=0
(P0.1 ->0)
Pomiar prądu fazowego I
Cz_I P7.0
Powrót
do programu
nie
tak
Sprawdzanie wystąpienia
sygnału błędu Fo
(P0.2)
I<Iogr
tak
Powrót
do programu
nie
Do procedury
blokowania falownika
tak
Fo=0
(P0.2 ->0)
Do procedury
blokowania falownika
nie
Rys. 6. Algorytm sterowania falownika zasilającego silniki trakcyjne lokomotywy
Fig. 6. Control algorithm of inverter supplied of the traction motor
224
150
100
50
0
-50
0
500
1000
1500
Is z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c.wnk
n z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c.wnk
2000
czas w [ms]
Rys. 7. Wyniki symulacji układu napędowego silnika trakcyjnego
z regulacją prędkości obrotowej i sterowaniem FOC
Fig. 7. Results of simulation of traction motor drive system with rotation speed regulation and FOC control
150
100
50
0
-50
0
500
Is z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c.wnk
n z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c.wnk
1000
1500
2000
czas w [ms]
Rys. 8. Wyniki symulacji układu napędowego silnika trakcyjnego z regulacją prędkości obrotowej
Fig. 8. Results of simulation of traction motor drive system with rotation speed regulation
225
150
100
50
0
-50
-100
0
200
400
600
Is z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c5.wnk
n z pliku c:\tcad\przyklad\uf2c5.wnk
800
1000
czas w [ms]
Rys. 9. Wyniki symulacji układu napędowego silnika trakcyjnego sterowanego
z zastosowaniem stałej częstotliwości wyjściowej i ograniczeniem napięcia w czasie rozruchu
Fig. 9. Results of simulation a start of traction motor drive system
with frequence constant and supply voltage limited
8. ZAKOŃCZENIE
Zastosowanie nowoczesnych zasilaczy przekształtnikowych w układach napędowych
pojazdów szynowych oraz pojazdów kołowych zapewnia zmniejszenie wymiarów
urządzenia, wzrost niezawodności oraz sterowanie optymalne, adaptacyjne, przy sterowaniu
polowym FOC lub bezpośrednim DTC silnika napędowego. Umożliwia to płynną zmianę
prędkości dla założonych wartości momentu napędowego silnika oraz zapewnia określoną
dynamikę jazdy. Zastosowanie sterowników mikroprocesorowych zapewnia realizację
złożonych algorytmów sterowania oraz kontrolę parametrów eksploatacyjnych pojazdu.
W stanach awaryjnych istnieje możliwość ograniczonej diagnostyki układów zasilania
i sterowania. Wprowadzenie napędu hybrydowego do pojazdu kołowego gwarantuje
zmniejszenie masy pojazdu przy niezmienionej dynamice oraz wydłużenie czasu
eksploatacji bez konieczności ładowania baterii akumulatorów.
LITERATURA
[1] TAKAHASHI I., NOGUCHI T., A new quick-response and high-efficiency control strategy of an
induction motor. IEEE Trans on IA, Vol. 1A-22, No. 5, 1986, 820–827.
[2] DEPENBROCK M.: Direct self control of inverter fed induction machine IEEE Trans on PE, Vol. PE-3,
No. 4, 1988, 420–429.
226
[3] CASADEI D., GRANDI G., SERRA G., Switching strategies in direct torque control of induction
machines. Proc. ICEM ’94, Paris, 5–8 September 1994.
[4] KAŹMIERKOWSKI M., Porównanie metody sterowania polowo-zorientowanego z metodą
bezpośredniej regulacji momentu silnika klatkowego. Przegląd Elektrotechniczny 4/98.
[5] SZYMAŃSKI Z., Nowoczesne układy napędowe pojazdów trakcyjnych napędzanych silnikami
indukcyjnymi ze sterownikami typu fuzzy-logic. Proc. MET ’97, Warszawa 1997.
[6] SZYMAŃSKI Z., Sterowanie bezpośrednie DTC trakcyjnych układów napędowych zasilanych z
tranzystorowych zasilaczy IPM napędzanych silnikami indukcyjnymi. Materiały Konferencyjne
MET ’99 Warszawa, wrzesień 1999, s. 237–241.
[7] SZYMAŃSKI Z., JOOSTBERENS J., Energooszczędne układy zasilania pojazdów kołowych i maszyn
górniczych ze sterowaniem bezpośrednim. Materiały Konferencyjne SENE ’99, Łódź, paździenik 1999,
s. 639–649.
[8] SZYMAŃSKI Z., MAREK B., Układy sterowania i automatyzacji górniczych maszyn transportowych.
Materiały Konferencyjne Górnictwo 2000, Szczyrk, listopad 1999, t. I, s. 219–229.
[9] SZYMAŃSKI Z., Energooszczędne układy napędowe górniczych maszyn transportowych. Monografia
ZN Pol.Śl. (w druku).
OPTIMAL CONTROL OF WHEEL TRACTION VEHICLES DRIVED BY INDUCTION MOTOR
The paper present some traction drive systems of wheel vehicles drived by induction motors and
supplied with transistor voltage converters, and also a hybrid drive systems composed with petrol motor and
electric traction motors supplied with transistor voltage supply. Control and diagnostic algorithms of a
traction drive system assured: soft-start of the motor, energy- saving regulation of the ride speed, electric
regenerative braking and dynamic braking cooperative with mechanical brakes and monitoring of special
parameters of the drive system are presented in the paper. The control algorithms assured nonsliding running
mode of the car in a wide range of changes of the ride speed. Microprocessor control of the vehicles (16byte microcomputer chip) assured optimal control of the vehicle and the monitoring of special an
exploitation parameters of the car: ride speed, supply voltage, motor phase current, temperature of motor
winding and discharging stage of storage battery. In the failure operating conditions, controller systems
assured a diagnostic of technical state of the electic circuit of the vehicle. The paper present a result of
computer simulation of the mathematical model of the vehicle performed for particular dynamic states of the
vehicle: starting, chande of transmission ratio, failure and handling car braking. The calculations are realised
by utility of the simulation programms: Matlab–Simulink and TCAD’6,2. Some results of laboratory
experiment performed for laboratory model of the vehicle composed with: two induction traction motors:
power rating 5kW, supplied with transistor voltage inverter are presentd in the paper.