Model sustava regulacije glavnog elektromotornog pogona električne lokomotive : magistarski rad - Težak, Nenad (N. Težak ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2001)
U radu je razmatrana složena struktura sustava regulacije glavnog elektromotornog pogona tiristorizirane lokomotive serije BDŽ 46 (6-osovinska lokomotiva trajne snage 5100 kW, napona napajanja 25 kV, 50 Hz, sa istosmjernim vučnim motorima sa serijskom uzbudom). Realizirani su matematički modeli elemenata energetskog kruga elektromotornog pogona kao i pripadajućih upravljačko-regulacijskih sklopova. Nakon toga je ostvarena sinteza spomenutih modela, u cilju dobivanja modela osnovnih struktura sustava regulacije za karakteristične radne režime – režim vuče i režim elektrootporničkog kočenja. Opis glavnog EMP lokomotive sadržan je u drugom poglavlju. Glavni EMP lokomotive serije BDŽ 46, sastavljen je od glavnog transformatora, tri sekventno upravljana para tiristorskih ispravljača, šest istosmjernih vučnih motora sa serijskom uzbudom (nazivne snage 850 kW), prigušnica za glađenje ispravljene struje, pripadnih pogonskih sklopova, kočnih otpornika te pripadajućih sklopnika vuče/kočenja i preklopki smjera. U okviru drugog poglavlja posebno su obrazloženi specifični zahtjevi na glavni elektromotorni pogon lokomotive u cijelosti (uključujući i pripadni upravljačko-regulacijski sustav), koji proizlaze iz specifičnih uvjeta rada pogona (promjenjivost adhezijskih uvjeta između kotača i tračnica, različita opterećenja pogonskih osovina, karakteristični režimi rada i dr.). U cilju što boljeg iskorištenja raspoložive vučne sile, nužno je odabrati pravilan način upravljanja glavnim elektromotornim pogonom lokomotive. Prilikom odabira koncepcije upravljanja pogonom, ključni značaj ima razumijevanje procesa koji se događaju između kontaktnih površina kotača i tračnica. Stoga je problematici adhezije također posvećena određena pozornost. Treće poglavlje obuhvaća kratki opis sklopovske i programske osnove kojom je ostvarena primijenjena upravljačko-regulacijska struktura. U osnovi, radi se o kaskadnoj strukturi s nadređenim krugom regulacije brzine i podređenim krugovima regulacije struje vučnih motora. Konfiguracija energetskog kruga glavnog elektromotornog pogona mijenja se, ovisno o režimu rada. U režimu vuče, motori glavnog EMP lokomotive raspodijeljeni su tako da formiraju tri nezavisno upravljive dvomotorne jedinice, za razliku od situacije u režimu elektrootporničkog kočenja, kada se uzbude svih šest strojeva (spojene u seriju) napajaju iz istog ispravljača. Stoga se i upravljačko-regulacijska struktura glavnog EMP lokomotive mijenja u skladu s radnim režimom, prilagođavajući se promjenama u konfiguraciji energetskog kruga pogona. U režimu vuče, slabljenje polja ostvaruje se u tri stupnja, shuntiranjem uzbude vučnih motora. Ovakav način upravljanja poljem postavlja dodatna ograničenja na mogućnost nezavisnog upravljanja vučnim motorima unutar iste dvomotorne jedinice, što izravno utječe i na mogućnost maksimalnog iskorištenja raspoložive vučne sile. Svaki regulacijski krug struje ima pridružene regulacijske petlje koje imaju zadatak da nivo pojedinih električkih i mehaničkih pogonskih veličina održavaju u granicama dozvoljenog. Tu spada regulator nivoa torzionih oscilacija, regulator napona, regulator automatskog odabira radne točke i dr. Stoga su u trećem poglavlju prikazani načini djelovanja nekih od spomenutih regulacijskih petlji, ilustrirani snimkama odgovarajućih vremenskih valnih oblika. Nužna pretpostavka za analizu i istraživanje statičkih i dinamičkih karakteristika sustava regulacije glavnog EMP lokomotive je raspolaganje odgovarajućim matematičkim modelima pojedinih elemenata energetskog kruga, pripadajućih upravljačko-regulacijskih struktura te sustava u cjelini. Spomenuti matematički modeli opisani su u četvrtom poglavlju, u sklopu čega su i identificirani parametri modela (na osnovu vlastitih mjerenja ili dostupnih proračuna i izvještaja o ispitivanju komponenti energetskog kruga). Matematički model sekventno upravljanog para tiristorskih ispravljača postavljen je na srednjim vrijednostima napona i struja i to za kontinuirano područje vođenja (pri normalnim opterećenjima glavnog EMP lokomotive, ispravljači praktički ne dolaze u diskontinuirani režim vođenja). Statičke karakteristike ispravljača određene su uvažavajući utjecaj glavnog transformatora, kontaktnog voda i transformatora elektrovučne podstanice preko kojih se napaja glavni EMP lokomotive. Matematički model vučnog kruga sastoji se od matematičkog modela vučnog motora i prigušnice za glađenje ispravljene struje. Armaturni namot vučnog motora nadomješten je serijskim R-L krugom, baš kao i prigušnica za glađenje ispravljene struje. Razlika je jedino u tome što je pretpostavljeno da se parametri armaturnog R-L kruga ne mijenjaju s iznosom struje, dok se dinamički induktivitet prigušnice za glađenje ispravljene struje dosta mijenja s iznosom struje kroz prigušnicu. Uzbudni krug nadomješten je serijskom R-L kombinacijom uzbudnog namota, kojoj su paralelno spojeni otpori za shuntiranje uzbude. Dinamički induktivitet uzbudnog namota mijenja se ovisno o struji magnetiziranja. U cilju uzimanja u obzir utjecaja vrtložnih struja, u paralelu s dinamičkim induktivitetom uzbudnog namota spojena je nadomjesna impedancija (u općem slučaju sačinjena od n paralelno spojenih R-L grana). Matematički model pogonskog sklopa izveden je, korištenjem pristupa koncentriranih masa, za opći slučaj, koji dozvoljava i analizu pojave torzionih oscilacija. Međutim za potrebe makro modela lokomotive/vlaka koristi se njegov oblik za dinamički stabilno stanje (nema torzionih oscilacija). Moment tereta motora, određen iznosom ostvarenih odrivnih sila između kotača i tračnica, modeliran je adhezijskom karakteristikom. Adhezijska karakteristika zadana je analitički ili pomoću krivulje zadane konačnim brojem točaka. Model translatornog gibanja omogućuje uvažavanje različite geometrije pruge kao i različitih sastava vlakova (s obzirom na masu i dužinu), korištenjem tzv. mjerodavnog otpora pruge. Mjerodavni otpor pruge dobiva se iz građevinskog presjeka pruge, a njegovo uvođenje motivirano je isključivo željom za skraćivanjem računanja otpora pruge za složenije kompozicije. Peto poglavlje obuhvaća programsku realizaciju simulacijskih modela, na osnovu matematičkih modela predstavljenih u četvrtom poglavlju. Tako su, svođenjem kompletnog glavnog EMP lokomotive na jednu dvomotornu jedinicu (ili čak na samo jedan vučni motor), dobiveni simulacijski modeli za režima vuče i režim elektrootporničkog kočenja. Simulacijom dobivenih modela, koji opisuju ponašanje jednog vučnog motora, istraženo je dinamičko ponašanje nekih pogonskih varijabli pri vuči i elektrootporničkom kočenju lokomotive u strojnoj vožnji, s lakšim teretnim vlakom (ukupne bruto mase oko 500 tona) te težim teretnim vlakom (ukupne bruto mase oko 1500 tona). Dobiveni su rezultati koji se u dobroj mjeri podudaraju s eksperimentalno snimljenim podacima te predstavljaju dobru osnovu za daljnju razradu dobivenih modela za potrebe istraživanja prijelaznih pojava te statičkih i dinamičkih karakteristika elektromotornog pogona lokomotive, ali i drugih vozila s električnom vučom. Ključne riječi: simulacija, modeliranje, regulacija, elektromotorni pogon, lokomotiva, električna vuča, adhezija