Исследование переходных процессов в тяговом электроприводе рудничного аккумуляторного электровоза с рекуперативным торможением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. - М.: Мир, 1968. - 592 с.

2. Иост В. Взрывы и горение в газах. М., Издательство иностранной литературы, 1952. 687 с.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование условий воспламенения шахтной атмосферы от нагретых элементов электронных схем и разработка рекомендаций по их безопасному использованию». № государственной регистрации 01860118524. г. Люберцы, ИГД им. А.А. Скочинско-го, 1987. - 87 с.

4. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. М., Рандеву-АМ, 2000. - 448 с.

5. Ерыгин А.Т., Трембицкий А.Л., Яковлев В. П. Оценка искробезопасности электрических цепей. - М.: Наука, 1976. - 304 с.

6. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. Температурные измерения. - Киев, Наукова думка, 1984. - 496 с.

7. Иохельсон З.М. Оценка искробезопасности нагревающихся элементов электрооборудования для взрывоопасных газовых сред. Безопасность труда в промышленности, № 11, 2001. - С. 24-25.

8. Петренко Б.А. Воспламеняемость газов и физические основы электровзрыво-безопасности. - М.: Наука, 1989. - 150 с.

— Коротко об авторах

Ерыгин А. Т. - профессор, доктор технических наук, Охапкин А.Ю. - кандидат технических наук,

ИПКОН РАН.

Ъг

--© Ю.П. Сташинов, Е.В. Крутиков,

2005

УДК 622.625-83:681.3.00.57(06)

Ю.П. Сташинов, Е.В. Крутиков

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ РУДНИЧНОГО АККУМУЛЯТОРНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С РЕКУПЕРАТИВНЫМ ТОРМОЖЕНИЕМ

Семинар № 17

Для привода рудничных электровозов предпочтительна механическая характеристика тяговых электродвигателей, мягкая при повышенных нагрузках и жесткая, с автоматическим ограничением скорости, в области малых и отрицатель-

ных нагрузок. Такую характеристику можно получить, осуществляя подпитку обмотки последовательного возбуждения тягового электродвигателя от низковольтного источника [1, 2].

Рис. 1. Варианты привода с подпиткой

На рис. 1, 2 приведены схема, иллюстрирующая некоторые из возможных вариантов реализации такого технического решения, и соответствующие им тяговые характеристики.

Перемыкая точки 0 и 1, получаем схему 1 с подключением источника подпитки Е2 параллельно обмотке возбуждения в тяговом режиме и последовательно - в режиме рекуперативного торможения.

Электромеханическая характеристика тягового двигателя для этого варианта имеет вид кривой FCAD (рис. 2). На участке FC диод V1 заперт падением напряжения на сопротивлении R12 обмотки возбуждения LM, и двигатель работает с последовательным возбуждением. При токе Ic = E2/R12 (точка C на рис. 2) диод отпирается, начинается подпитка обмотки возбуждения от источника E2, и двигатель переходит на более жесткий участок электромеханической характеристики CAD, аналогичной характеристике двигателя со смешанным возбуждением. Жесткость ее определяется соотношением сопротивлений обмотки возбуждения R12 и цепи источника подпитки R. В режиме пограничной скорости (точка A на рис. 2) ток возбуждения равен отношению E/(R12+R).

Перемыкая точки 0 и 2, получаем схему 2 с подключением источника подпитки Е2 последовательно обмотке возбуждения в тяговом режиме и параллельно - в режиме рекуперативного торможения.

Рис. 2. Вид тяговых характеристик для обмотки возбуждения тягового двигателя различных вариантов подпитки обмотки возбуждения тягового электродвигателя

Электромеханическая характеристика тягового двигателя для данного варианта схемы имеет вид кривой БСБЛБ. На участке ББ токи источника подпитки, возбуждения и якоря равны, поскольку они соединены последовательно. Диод VI в этом случае отпирается при снижении тока до величины 1В = Е/(К12+К). При дальнейшем уменьшении тока якоря (участок БЛБ характеристики) токи возбуждения и источника подпитки остаются практически постоянными ввиду малости падения напряжения на диоде VI в проводящем направлении. В результате этот участок характеристики подобен характеристике электродвигателя с независимым возбуждением.

Источник подпитки в 1-й схеме нагружается сравнительно небольшим током й < 1В в двигательном режиме и суммарным током якоря и обмотки возбуждения в режиме рекуперативного торможения. Во 2-й схеме, наоборот, в двигательном режиме при работе на участке ББ характеристики а = 1(!Я) через источник подпитки протекает полный ток якорной цепи, а при малых и отрицательных нагрузках (на участке БЛБ) ток источника подпитки сравнительно невелик, й =1В.

Требуемую мощность источника подпитки можно существенно уменьшить, если в приведенной на рис. 1 схеме соединить отрицательный зажим источника пи-

тания Е1 (точка 0) с точкой 1 в двигательном режиме и с точкой 2 - в тормозном. Такое переключение можно обеспечить без использования контактных элементов введением в схему двух дополнительных полупроводниковых диодов У2 и У3 между точками 0 - 2 и 0 - 1, как показано на рис. 1. В результате получаем схему 3, с параллельным подключением источника подпитки к обмотке возбуждения как в двигательном, так и в тормозном режимах. Электромеханическая характеристика тягового двигателя в этом случае приобретает вид кривой ГОЛЕ, приведенной на рис. 2.

В данном сообщении приводятся результаты сравнительного исследования рассматриваемых вариантов схем в переходных процессах, в значительной степени определяющих качественные показатели тяговых электроприводов.

На рис. 3 приведена расчетная электрическая схема тягового электропривода для первого варианта. Она учитывает: индуктивности якоря Ья и от потоков рассеяния Ьз, нелинейность кривой намагничивания 1ц(Ф), размагничивающую реакцию якоря А\я\, вихревые токи (эквивалентным контуром с сопротивлением Шк), нелинейную зависимость противо-ЭДС вращения от угловой скорости т и нитного потока Ф, нелинейность вольт-амперной характеристики диода (принята кусочно-линейная аппроксимация). Через Я1, Я2, Я12, обозначены, соответственно,

активные сопротивления цепей якоря, источника подпитки и возбуждения.

На основании расчетной схемы составлена описывающая поведение электропривода в переходных режимах система нелинейных дифференциальных уравнений, дополненная уравнением равновесия моментов на валу тягового электродвигателя.

т т+т-я, -ь-1С + Е -со- Ф, = Е] - Е9

Я ^ Я* Я* 1* А8* * ЯН* * * 1*

<н

^т +т -в ,, ^ * 2*

Км,:

Т.. -Ф.= Е'

Яо.,. при 1ф>0

при 1ф<0 >*)

/*2* I

Л

Уравнения записаны в относительных единицах. За базовые значения: для токов, магнитного потока Ф (потокосцепления у), моментов и угловой скорости т приняты их номинальные значения, для сопротивлений Кб = 1 Ом, для напряжений и б= 1б-Яб = 1н-1 Ом.

Инерционности электропривода характеризуются расчетными постоянными времени:

Тя = Ья! Кб - электромагнитная постоянная времени якорной цепи электродвигателя;

Тз = Ьз/Кб - электромагнитная постоянная времени от потоков рассеяния;

Т{л - ц/нЮн - электромагнитная постоянная времени цепи намагничивания;

Рис. 3. Расчетная электрическая схема 1-го варианта привода

Рис. 4. Структурная схема 1-го варианта электропривода

Тк = Тр/Кк* - электромагнитная посто- ской характеристики двигателя и рас-янная времени контура вихревых токов;

Тм = JmlMн - электромеханическая постоянная времени.

ного формуляра завода-изготовителя, величины электромагнитных постоянных времени были определены эксперимен-При исследовании электропривода тально. При разработке моделей была ис-приняты численные значения параметров пользована универсальная кривая намаг-тягового двигателя ЭДР-10П рудничного ничивания для тяговых электродвигателей

аккумуляторного электровоза 8АРП. Ве личины сопротивлений и некоторые дру гие параметры заимствованы из техниче

[3].

Рассматриваемая электромеханическая система существенно нелинейная, с дис-

Рис. 8. Модель 3-го варианта электропривода с подпиткой обмотки возбуждения Рис. 6. Модель 1-го варианта электропривода с подпиткой обмотки возбуждения

кретно изменяемыми параметрами и изменяемой структурой (из-за наличия диода, обладающего односторонней проводимостью), причем моменты изменения структуры и параметров определяются текущим состоянием самой системы.

С учетом сказанного, исследование ее возможно только численными методами. Удобным инструментом для этого представляется приложение Simulink математического пакета MatLab.

Компьютерную модель рассматриваемого электропривода в приложении Smu-link можно сформировать двумя путями:

по структурной схеме на основании приведенной выше системы дифференциальных уравнений и непосредственно по расчетной электрической схеме с добавлением подсистемы моделирования уравнения движения. Ниже представлены оба из указанных подходов.

П На рис. 4 приведена структурная схема 1-го варианта электропривода, полученная на основе описания его системой дифференциальных уравнений, а на рис. 5 - соответствующая ей компьютерная модель в среде MatLab.

Аналогично могут быть построены мо-

дели для 2-го и 3-го вариантов электропривода на базе соответствующих уравнений динамики и структурных схем. Однако это достаточно трудоемкая процедура, особенно для 3-й схемы, где необходимо отслеживать условия перехода из непроводящего состояния в проводящее и обратно для трех полупроводниковых диодов.

По-видимому, более рациональным является построение компьютерных моделей непосредственно по расчетным электрическим схемам приводов с добавлением

подсистемы моделирования механической

...........

2. Пуск двигателя при тех же условиях со скачкообразным изменением через 1 с момента сопротивления от М=1 до М=-0,5.

Процесс разгона до момента времени 1 = 1 с во всех вариантах электроприводов протекает аналогично и не имеет каких-либо особенностей, за исключением того, что в первой и третьей схемах ток источника подпитки практически равен нулю, тогда как во второй схеме равен току якоря. На втором участке (с момента времени 1=1 с) характер переходного процесса для каждого из вариантов электропривода

[К.'г г

-

4 <15 I. е

Тг'.1

т

/

Л

/

О 0.5 1 1 Б 2 25 3 3.5 4 -15 т.с О ОЯ 1 1.5 2 25

а) б)

Рис. 10. Графики переходных процессов для 2-го варианта электропривода: а) - при скачке напряжения; б) - при скачке момента

части, аналогичной соответствующему фрагменту рис. 5. Заметим, что в принципе механическую подсистему также можно представить эквивалентной электрической схемой, так, как это делается, например, в известной программе моделирования Р8р1се.

Варианты полученных таким путем моделей приведены на рис. 6-8.

На разработанных моделях было проведено исследование предложенных вариантов тяговых электроприводов для следующих режимов работы:

1. Пуск тягового двигателя с номинальной нагрузкой подачей полного напряжения питания (в относительных единицах Б1=1,043) с последующим скачкообразным снижением его через 1 с до величины Б1=0,5.

имеет свои особенности.

На рис. 9 а, б приведены графики изменения во времени угловой скорости ю токов якоря /я, возбуждение I/, и источника подпитки Ь' для первой схемы с использованием модели (рис. 5), полученной по структурной схеме электропривода.

При скачкообразном снижении напряжения питания наблюдается кратковременный переход двигателя в режим рекуперативного торможения, сопровождающийся броском тока источника подпитки, через который в этом режиме протекает суммарный ток якоря и обмотки возбуждения. При снижении скорости и, соответственно, противо-ЭДС вращения электропривод возвращается в двигательный режим с нулевым током источника подпитки (диод V! закрыт).

Л

1я,1г 1\Ь

® ——: \ 1я,1Г

00

I/ Гя

1я,1Г

О 1 2 3 4 % с о 1 2

а) б)

Рис. 9. Графики переходных процессов для 1-го варианта электропривода

а) - при скачке напряжения; б) - при скачке момента

1, с

При изменении знака момента сопротивления продолжается разгон тягового двигателя с плавным (благодаря механической инерции) переходом в режим рекуперативного торможения с ростом тока источника подпитки.

Переходной процесс для первой схемы при использовании модели, полученный по схеме замещения (рис 6), протекает практически аналогично, но с существенно большим временем моделирования.

На рис 10 а, б приведены результаты моделирования переходных процессов во

Изменения угловой скорости и тока якоря в ней имеют тот же характер, что и в предыдущих вариантах, но от источника подпитки потребляется сравнительно небольшой ток как в двигательном, так и в тормозном режимах работы привода. Выполненные исследования переходных процессов для трех вариантов тяговых электроприводов с подпиткой последовательной обмотки возбуждения двигателя от низковольтного источника через диод позволяют сделать следующие выводы: 1. Предложенные электроприводы

! !

:

1

.....VI........... ц I = VI

—,/ 4 м.

X ; '

Л

1/ ■ ;

о об 1 16 г 26 з а) б)

Рис. 11. Графики переходныгх процессов для 3-го варианта электропривода:

а) - при скачке напряжения; б) - при скачке момента

втором варианте электропривода. В режиме рекуперативного торможения токи возбуждения I/ и источника подпитки 1з в этом случае стабилизируются, и двигатель работает при независимом возбуждении.

На рис 11 а, б приведены результаты моделирования для третьего варианта привода.

обеспечивают автоматическое ограничение скорости с переходом в режим рекуперативного торможения при изменении знака момента сопротивления (в случае готовности источника питания принять энергию рекуперации).

2. Переходные процессы в предложенных электроприводах, даже при зна-

чительных возмущающих воздействиях, протекают удовлетворительно.

3. При исследовании переходных процессов с использованием математического пакета МаЛаЬ предпочтительнее использовать более простые и легко модифицируемые модели, построенные по электрической схеме замещения электропривода, хотя при этом и снижается скорость моделирования в сравнении с реализацией моделей по уравнениям динамики.

4. Вариант электропривода с бесконтактным переключением источника подпитки при переходах из двигательного режима в тормозной и обратно минимизирует требуемую от него мощность, но за

1. Духопельников В.Д., Сташинов Ю.П. Совершенствование тяговых характеристик рудничных электровозов/1Горная электромеханика и автоматика. -Харьков. 1966, N 6.- С. 124-129.

2. Сташинов Ю.П. Адаптивный привод шахтных электровозов. Горный информационно-

счет использования дополнительных полупроводниковых диодов, усложняющих силовую схему.

5. Эффективное ограничение скорости в режиме рекуперативного торможения обеспечивает вариант электропривода с последовательным подсоединением источника подпитки к обмотке возбуждения в двигательном режиме, хотя он и требует по сравнению с другими вариантами наибольшей мощности источника подпитки.

6. Предложенные модели могут быть использованы для исследования широкого класса тяговых электроприводов в различных режимах их работы.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

аналитический бюллетень, N 10, 2004. - С. 294 -296.

3. Иоффе А.Б. Тяговые Электрические машины. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1965. - 236 с.

— Коротко об авторах -

Сташинов Ю.П. - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, Крутиков Е.В. - ассистент,

Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ), кафедра «Электрификация и автоматизация производства».