Идентификация параметров тягового асинхронного привода дизель-поезда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.07: 681.5.015

Н.В. МЕЗЕНЦЕВ, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ",

А.Ю. ЗАКОВОРОТНЫЙ, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХПИ",

Г.В. ГЕЙКО, ст. преп., НТУ "ХПИ"

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ПРИВОДА ДИЗЕЛЬ-ПОЕЗДА

Предлагается идентификация параметров тягового асинхронного привода дизель-поезда на основе метода наименьших квадратов. Выполнено преобразование исходной математической модели тягового привода к модели, в которой исключены неподдающиеся прямому измерению величины. Приводятся результаты имитационного моделирования, подтверждающие правильность предложенной параметрической идентификации. Ил.: 1. Библиогр.: 9 назв.

Ключевые слова: идентификация, метод наименьших квадратов, тяговый

асинхронный привод, имитационное моделирование.

Постановка проблемы и анализ литературы. Качественное управление электроприводом основывается на точном знании его фазовых координат. В тяговом приводе дизель-поезда используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, измерение части фазовых координат которого напрямую невозможно [1]. Поэтому одной из основных задач, возлагаемых на систему управления, является задача идентификации данных, которая решается за счет использования различного рода наблюдателей [2 - 6]. Наблюдатели строятся на базе математических моделей асинхронного двигателя с известной структурой. Однако параметры двигателя (в большей степени сопротивления обмоток статора и ротора) могут меняться в широких диапазонах, что в конечном итоге приводит к ошибкам при определении фазовых координат. На сегодняшний день для идентификации параметров объектов существует ряд методов, большинство из которых основаны на использовании фильтров Калмана [7] и метода наименьших квадратов (МНК) [8 - 9]. Основная сложность практической реализации методов на основе фильтров Калмана в задачах управления электроприводом обуславливается большим числом выходных параметров как электрической, так и механической природы. Поэтому в работе предлагается идентификация параметров тягового асинхронного привода дизель-поезда на основе МНК.

Целью статьи является параметрическая идентификация тягового © Н.В. Мезенцев, А.Ю. Заковоротный, Г.В. Гейко, 2014

асинхронного привода дизель-поезда на основе МНК.

Математическая модель тягового асинхронного привода при общеизвестных допущениях может быть представлена в неподвижной системе координат (а, в, 0) следующим образом:

Usa-yisa + ~Vra + pProVrR; (1)

disa 1

dt aLs

disR _ 1

dt aLs

dVra

dt

dVrp

dt

P

r

(2)

= ^4a-^-P^Vf; (3)

Tr T r

L VrR

= -fiR-^jR-P^^ra; (4)

Tr T r

M I 2 P^L (^raisp-^rpisa) ; (5)

^ = Р М -Мс ) , (6)

Л ./

где іха, 4р - соответственно проекции тока статора на оси а и в; ґ -время; а = 1- квкг = 1- —т/) - полный коэффициент рассеивания; Ьт, — , — - соответственно взаимная индуктивность, индуктивности статора и ротора; - соответственно проекции напряжения

^ ^ —

статора на оси а и в; у = —— +—г—т ; Ях, Яг - активные сопротивления статора и ротора; р = -—т—; Тг = —— постоянная времени ротора; р -

— Кг

число пар полюсов; Тга, Тгр - соответственно проекции

потокосцеплений ротора на оси а и в; ю - частота вращения ротора; J -приведенный момент инерции двигателя; М - электромагнитный момент;

Мс = Ь0 + Ь1а + Ь2ю2 - момент сопротивления движению; Ъо, Ъ1, Ъ2 -коэффициенты, которые зависят от характеристик дизель-поезда и условий движения.

Для выполнения идентификации по МНК необходимо выполнить преобразование модели (1) - (6) к виду, в котором исключены

неподдающиеся измерению проекции потокосцепления ротора. Для этого объединив попарно уравнения (1) с (3) и (2) с (4), получим:

«тга = ±- и„„

Л Кг £а

0¥гр _ 1 ( и£р

Л = К

сИ„

£а £ £а £

^Р _ ^Ар _СТ^-

(7)

(8)

Далее, продифференцировав обе части выражений (1) и (2), получим:

ст,

-у——+ -

- + рр(й—^ + рр “Ю^р; (9)

ж ж

Ж2 аЬ£ С ' С Тг С

“ ^Р 1 СияР С£Р Р СТгР „ СТ Сю

^ =--------------Р— у—Р + —-Р + рРю — + рР—Тга. (10)

Ж аЦ Л Л Т Ж Л Л

Подставив выражения (7) в (9), а (8) в (10) и выполнив соответствующие преобразования, с учетом того, что СЮ « о , имеем

, 2“ + рЮ ““Г = К1^£а + К2ияа + К3рюг£р +

Ж2 Ж Р

+ К

ж

(11)

С2“

—Т + рЮ = КАр + К2ияр + К3рю"яа +

+ К,

“и

£Р

л

л

+и„

+ К

£Р

ж

(12)

де К1 = -

л.

аЦ£ТГ

К 2 =

аЦ£ТГ

К =-К3 = т

аЬ„

К 4 =

к =_(Ц^+ЦЛг)_

5 а£Л •

На основе коэффициентов К\, К2, К3, К4, К5 могут быть получены основные параметры привода, которых достаточно для построения идентификатора. Эти параметры определяются следующим образом:

1

1

Я =-, г = Кз К5 , Т = К4, а =-----------К

К4 £ К2 г К2 К4(Кз -К5)

Кроме идентификации параметров электрической части привода необходимо также выполнять идентификацию параметров его механической части, а именно, момента сопротивления движению.

Как известно, в математичкеских моделях момент сопротивления движению Мс аппроксимируется полиномом второй степени с постоянными коэффициентами Ъ0, Ъ1, Ь2, которые рассчитываются заранее и остаются постоянными при движении поезда по конкретному перегону. Однако, в процессе движения дизель-поезда по перегону, при изменении дорожной обстановки (погодные условия, изменения расписания и т.д.) эти коэффициенты могут изменяться. Поэтому необходимо выполнять их уточнение при движении подвижного состава по железнодорожному перегону.

*

Уточнённый момент сопротивления Мс может быть представлен следующим образом:

М* = Ь0 + Ь1ю + Ь2ю2 + е ,

где е - составляющая, которая учитывает изменеие дорожной обстановки. Тогда, используя МНК, могут быть расчитаны новые коэффициенты Ь*, Ь*, Ь2*, в которых учтена составляющая е .

'-Г!

г

\2х

г

* * ‘

«О г.г

Рис. Изменение скорости движения дизель-поезда

На рис. приведены изменения во времени следующих скоростей движения дизель-поезда: V - расчётная скорость при известных

параметрах движения по перегону (при известном Мс); V2 - реальная

*

скорость дизель-поезда; V3 - скорость, рассчитанная с учётом M с. Как видно из рис., скорости V2 и V3 практически совпадают, что свидетельствует о правильности нахождения коэффициентов Ъ*, Ъ*, Ъ* методом наименьших квадратов, а следовательно, и оценки момента сопротивления Mc* .

Выводы. С помощью метода наименьших квадратов выполнена идентификация параметров тягового асинхронного привода дизель-поезда. На основе данного подхода может быть создан наблюдатель для системы управления движением подвижного состава.

Список литературы: 1. Дмитриенко В.Д. Моделировапие и оптимизация процессов управления движением дизель-поездов / В.Д. Дмитриенко, А.Ю. Заковоротный. - Х.: Изд. цептр "HTMT", 2013. - 248 с. 2. Бешта А.С. Идентификация координат асипхроппого двигателя в условиях дрейфа активных сопротивлений / А.С. Бешта, А.В. Валахонцев, Е.Г. Худой // Електротехніка та електроенергетика. - 2005. - № 2.

- С. 52-64. 3. Афанасьев К.С. Идентификация скорости асипхроппого электродвигателя лабораторного степда с помощью фильтра Калмана и наблюдателя Люепбергера

I К.С. Афанасьев, А.С. Глазырин // Электротехнические комплексы и системы управления. -2012. - № 4. - С. 66-69. 4. Водовозов А.М. Идентификация параметров асипхроппой машины в установившихся режимах / А.М. Водовозов, А.С. Елюков // Вестпик ИГЭУ.

- 2010. - Вып. 3. - С. 69-71. 5. HaI.-J. An online identification method for both stator and rotor resistances of induction votor without rotational transducers / I.-J. Ha, S.-H. Lee II IEEE Transactions on industrial electronics. - 2000. - Vol. 47. - N° 4. - P. 842-852. б. Duran M.J. Induction-motor sensorless vector control with online parameter estimation and overcurrent protection I M.J. Duran, J.L. Duran, F. Perez, J. Fernandez II IEEE Transactions on industrial electronics. - 2006. - Vol. 53. - № 1. - P. 154-161. 7. Афанасьев К.С. Применение расширенного фильтра Калмана для улучшения параметрической робастности бездатчикового асипхроппого электропривода / К.С. Афанасьев, А.С. Глазырин

II Электротехнические комплексы и системы управления. - 2012. - № 1. - С. 2-7. S. Зоркальцев В.И. Метод наименьших квадратов: геометрические свойства, альтернативные подходы, приложения / В.И. Зоркальцев. - Новосибирск: ВО Наука.

- 1995. - 220 с. 9. Лоусон Ч. Числеппое решение задач методом наименьших квадратов I Ч. Лоусон, Р. Хенсон. - М.: Наука. - 1986. - 232 с.

Bibliography (transliterated): 1. Dmitrienko V.D. Modelirovanie i optimizacija processov upravlenija dvizheniem dizel'-poezdov I V.D. Dmitrienko, A.Ju. Zakovorotnyj. - H.: Izd. centr "HTMT", 2013. - 248 p. 2. Beshta A.S. Identifikacija koordinat asinhronnogo dvigatelja v uslovijah drejfa aktivnyh soprotivlenij I A.S. Beshta, A.V. Valahoncev, E.G. Hudoj II Elektrotehnika ta elektroenergetika. - 2005. - № 2. - P. 52-64. 3. Afanas'ev K.S. Identifikacija skorosti asinhronnogo jelektrodvigatelja laboratornogo stenda s pomoshh'ju fil'tra Kalmana i nabljudatelja Ljuenbergera I K.S. Afanas'ev, A.S. Glazyrin II Jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy upravlenija. - 2012. - № 4. - P. 66-69. 4. Vodovozov A.M. Identifikacija parametrov asinhronnoj mashiny v ustanovivshihsja rezhimah I A.M. Vodovozov, A.S. Eljukov II Vestnik IGJeU.- 2010. - Vyp. 3. - P. 69-71. 5. Ha I.-J. An online identification method for both stator and rotor resistances of induction votor without rotational transducers I I.-J. Ha, S.-H. Lee II IEEE Transactions on industrial electronics. - 2000. - Vol. 47. - № 4. - P. 842-852. б. Duran M.J.

Induction-motor sensorless vector control with online parameter estimation and overcurrent protection I M.J. Duran, J.L. Duran, F. Perez, J. Fernandez II IEEE Transactions on industrial electronics. - 2006. - Vol. 53. - № 1. - P. 154-161. 7. Afanas'ev K.S. Primenenie rasshirennogo fil'tra Kalmana dlja uluchshenija parametricheskoj robastnosti bezdatchikovogo asinhronnogo jelektroprivoda I K.S. Afanas'ev, A.S. Glazyrin II Jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy upravlenija. - 2012. - № 1. - P. 2-7. S. Zorkal'cev V.I. Metod naimen'shih kvadratov: geometricheskie svojstva, al'ternativnye podhody, prilozhenija I V.I. Zorkal'cev. - Novosibirsk: VO Nauka. - 1995. - 220 p. 9. Louson Ch. Chislennoe reshenie zadach metodom naimen'shih kvadratov I Ch. Louson, R. Henson. - M.: Nauka. - 1986. - 232 p.

Поступила (received) 19.06.2014

Статью представил д-р техн. наук, проф. НТУ "ХПИ" Дмитриенко В.Д.

Mezentsev Nikolay, Cand.Tech.Sci., Docent

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Str. Frunze, 21, Kharkiv, Ukraine, 61002

tel.Iphone: +38 (067) 782-88-41, e-mail: [email protected]

ORCID ID: 0000-0001-7834-2797

Zakovorotniy Alexandr, Cand.Tech.Sci., Docent

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Str. Frunze, 21, Kharkiv, Ukraine, 61002 tel.Iphone: +38 (067) 546-35-27, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0003-4415-838X

Gejko Gennadij, senior lecturer

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute "

Str. Frunze, 21, Kharkiv, Ukraine, 61002

tel.Iphone: +38 (098) 929-85-28, e-mail: e2901@ rambler.ru

ORCID ID: 0000-0001-6958-8306