CC BY
38
влияние крепости породы на динамические процессы в системе, возможно определить основные частоты собственных и вынужденных колебаний.
Основываясь на работах авторов Идия-туллина Р.Г., Труханова В.М. в качестве закона распределения вероятности безотказной работы электромеханической системы принят экспоненциальный закон, «Р»- вероятность безотказной работы определяется:
П
P(t) = exp (- Е Xi t).
i = 1
где Xi - интенсивность отказов i-го элемента системы; t - время работы системы.
Имея возможность изменять частоту колебаний электромеханической системы, по методу предложенному Фащи-ленко В.Н., тем самым, улучшая разрушение горной породы, мы можем улучшить условия функционирования каждого элемента системы, снижая динамические нагрузки.
1. Махно Д.Е., Шадрин А.И. Надежность карьерных экскаваторов и станков шарошечного бурения в условиях севера. - М.: Недра, 1976, 168 с.
2. Подэрни Р.Ю., Хромой М.Р. Станки вращательного бурения шарошечными долотами. -М: МГИ, 1990, 20 с.
В силу того что каждый элемент электромеханической системы подвержен накопительному износу, изменяя «5>-частоту колебаний системы (снижая динамические нагрузки) мы можем оказывать активное влияние на показатели надежности системы, что можно выразить через показатель интенсивности износа:
д = Б (М; ^б^вн).
где д - интенсивность износа; М - момент двигателя; £б - собственные динамические колебания; - вынужденные динамиче-
ские колебания.
Основной задачей разработки метода непосредственного управления надежностью - износом элементов электромеханических систем, опираясь на результаты исследований в области управления резонансными частотами Фащиленко В.Н, является определение возможности влияния на частоту нагружения этих элементов, следствием чего влияние на режимы работы и на их надежность.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Труханов В.М. Методы обеспечения надежности изделий машиностроения, - М.: Маши-ностроение,1995, 304 с.;
4. Фащиленко В.Н. дис. «Структурный анализ и синтез систем управления электромеханическими системами горных машин>. - М.: МГГУ, 2004.
— Коротко об авторах
Кузнецов С.В. - кафедра электрификации и энергоэффективности горных предприятий, Московский государственный горный университет.
----------------------------------------------
2005
УДК 622.625-83(06)
Д.В. Волков, Ю.П. Сташинов
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА НА РУДНИЧНОМ ЭЛЕКТРОВОЗЕ
Семинар № 17
Улучшение экономических показателей работы локомотивного транспорта возможно за счет снижения удельного расхода электроэнергии средствами электропривода. Одним из перспективных направлений решения этой задачи является оборудование рудничных электровозов асинхронным частотнорегулируемым приводом.
Для применения такого привода на рудничном электровозе требуется решить следующие технические задачи:
• формирование рациональной тяговой характеристики локомотива;
• равномерное распределение нагрузки между ведущими осями локомотива, а при работе по системе многих единиц - также и между локомотивами.
Вопрос о рациональном виде тяговой характеристики является неоднозначным. На протяжении длительного времени применения на шахтных электровозах двигателей постоянного тока последовательного возбуждения он был фактически предрешен. Тяговая характеристика локомотива, оборудованного двигателями постоянного тока последовательного возбуждения, наряду с положительными свойствами, имеет существенные недостатки.
Во-первых, в области малых нагрузок скорость локомотива резко возрастает, что затрудняет управление и создает повышенную опасность. Во-вторых, затруднен перевод привода в тормозной режим (требуется внешнее управляющее воздействие, меняющее форму тяговой характеристики). В третьих, мягкая характеристика привода в области номинальных нагрузок способствует снижению потенциальной производительности откатки. В асинхронном приводе путем соответствующего
программирования системы управления можно получить тяговую характеристику практически любой формы.
Наиболее известна для таких случаев тяговая характеристика, состоящая из трех участков: жесткого участка в области малых и отрицательных нагрузок, участка постоянной мощности в области средних и больших нагрузок и участка ограничения момента в области нагрузок, близких к предельным по условию сцепления (рис. 1).
В этом случае обеспечивается стабильная работа в области малых нагрузок и простота перехода в тормозной режим; регулируемое ограничение максимального момента. Такая характеристика считается рациональной для целей электротяги, что подтверждается ее применением на магистральных электровозах с бесколлектро-ными тяговыми двигателями [1]. При использовании указанной тяговой характеристики на рудничном электровозе требуется решение задачи оптимизации ее формы, касающейся, в основном, размеров участка постоянной мощности. С одной стороны, расширение этого участка позволяет применить двигатель меньшей мощности, а также лучше использовать энергию, запасенную в инерционных массах состава. С другой стороны, расширение этого участка вызывает снижение производительности электровоза.
Вопрос оптимальной жесткости тяговой характеристики актуален и для жесткого участка с точки зрения использования инерционных масс состава. Решение задачи оптимизации представляется мно-говаритнтым и, очевидно, требующим введения дополнительных критериев.
Равномерное распределение нагрузки между ведущими осями необходимо для получения максимального возможного тягового усилия. Как известно, тяговое усилие локомотива определяется суммой тяговых усилий, создаваемых его ведущими осями, которые, в свою очередь, ограничены произведением коэффициента сцепления на часть сцепного веса локомотива, приходящуюся на данную ось. Следовательно, максимальное тяговое усилие локомотива соответствует условию, когда распределение тяговых усилий осей аналогично распределению сцепного веса по Ося*м. Так как при проектировании механической части электровозов добиваются равномерного распределения сцепного веса по осям, условию максимального тягового усилия соответствует равномерное распределения тяговых усилий по осям.
Условие равномерности распределения тяговых усилий может быть нарушено различными факторами, основным из которых является неравномерный износ бандажей ведущих колес, приводящий к неравенству полного передаточного отношения (радиуса приведения) от вала приводного двигателя к ободу колеса. В этом случае одинаковым линейным скоростям бандажей колес (при отсутствии проскальзывания) соответствуют различные угловые скорости приводных двигателей. Анализ показывает, что без принятия специальных мер по выравниванию нагрузки сила тяги, развиваемая колесными парами
Рис. 1. Тяговая характеристика электровоза
с асинхронным приводом, может отличаться в 3 и более раз при допускаемом ПБ износе бандажей. Такое положение приводит к значительному недоиспользованию сцепного веса. Более того, при неблагоприятных обстоятельствах возможен переход одного из двигателей в тормозной режим (с противодействием другому двигателю).
С точки зрения привода равномерное распределение тяговых усилий труднореализуемо, так как непосредственное измерение тягового усилия ведущей оси затруднено. Более удобно реализовать условие равномерного распределения вращающих моментов ведущих осей. При этом возникает некоторая неравномерность тяговых усилий, вызванная неодинаковым износом бандажей, однако ее влияние на использование сцепного веса сравнительно невелико (неравномерность порядка 3 %).
Выравнивание вращающих моментов целесообразно выполнять электрическим способом, соответствующим воздействием на преобразователи, питающие тяговые двигатели. В пользу данного решения говорят следующие аргументы:
• получение равных вращающих
моментов у двух и более асинхронных двигателей путем их специального соединения усложняет силовую схему электровоза, а также приводит к нежелательным последствиям, таким как неустойчивость работы привода при наличии проскальзывания колес;
• равномерное распределения нагрузки между локомотивами, работающими по системе многих единиц, путем свя-
зывания двигателеи по силовым цепям существенно усложняет как их конструкцию, так и процесс сцепки;
• применение индивидуально
управляемых преобразователей позволяет реализовать специальные законы управления, например, компенсировать значительную разность износа бандажей и, тем самым, получить максимально возможное тяговое усилие.
Как известно, существуют различные способы индивидуального регулирования момента асинхронного двигателя путем воздействия на параметры его источника питания. Выбор того или иного метода определяется особенностями его реализации в конкретном применении. В данном случае возможны два основных варианта:
• питание тяговых двигателей от индивидуальных преобразователей частоты, выходное напряжение и частота которых управляются независимо (коррекция по частоте);
• питание тяговых двигателей от общего преобразователя частоты с выравниванием момента путем индивидуального регулирования напряжения на двигателях с помощью дополнительного силового аппарата (коррекция по напряжению).
В настоящее время прогресс в области силовой электроники позволяет строить преобразователи частоты, имеющие срав-
нительно небольшие размеры и стоимость, что дает возможность применить индивидуальные преобразователи для питания каждого тягового двигателя. Поэтому при построении силовой схемы рудничного электровоза следует ориентироваться именно этот вариант, позволяющий реализовать как коррекцию по частоте, так и коррекцию по напряжению, которая, как показано в [2], лучше с энергетической точки зрения. Данное построение имеет дополнительные преимущества, такие как повышение надежности привода - в случае выхода из строя привода одной из ведущих осей имеется возможность продолжения движения электровоза.
Для решения вышеуказанных задач с использованием асинхронного частотнорегулируемого привода требуется применение специальной системы управления (регулирования). В функции этой системы входит формирование механической характеристики требуемой формы и равномерное распределение нагрузок между тяговыми двигателями (создание условий для получения равных вращающих моментов). Реализация указанных функций может быть обеспечена введением обратных связей по вращающим моментам тя-
Рис. 2. Структурная схема системы регулирования
говых двигателей. Упрощенная структура такой системы показана на рис. 2. На данной схеме условно показаны только два тяговых двигателя (случай управления одним электровозом).
Суммарная сила тяги складывается из сил тяги двух ведущих осей Б1 и Б2, равных произведению моментов двигателей на коэффициенты, равные величинам, обратным соответствующим радиусам приведения р! и р2. Последние в общем случае не равны. Двигатели представлены упрощенно как апериодические звенья, охваченные внутренней обратной связью по скорости. Входным воздействием для указанных звеньев является разность синхронной и реальной угловых скоростей вращения ротора, то есть, фактически, скольжение. Величина синхронной угловой частоты вращения ротора зависит от величины выходной частоты инвертора £ при этом предполагается, что его выходное напряжение регулируется так, что величина критического момента двигателя поддерживается постоянной.
Система состоит из двух каналов (ведущего и ведомого) и подсистемы выравнивания нагрузок. Задающим воздействием для системы является сигнал задания скорости холостого хода привода в относительных единицах иПОЗ. Синтез механической характеристики осуществляется в ведущем канале с помощью нелинейного звена ФП1, статическая характеристика которого аналогична по виду требуемой тяговой характеристике локомотива. При этом формируется сигнал управления частотой напряжения питания двигателя ведущего канала. Для выравнивания вращающих моментов тяговых двигателей в систему введен регулятор момента, изменяющий требуемым образом сигнал задания частоты инвертора ведомого канала,
то есть производится коррекция по частоте. Аналогично можно реализовать и коррекцию по напряжению.
По предложенной структуре была составлена математическая модель, с ис-
пользованием которой исследовалось поведение системы в различных переходных режимах. В качестве примера на рис. 3 приведены графики изменения во времени скорости движения в км/ч (верхний график), тягового усилия электровоза в Н (средний график) и разности тяговых усилий ведущих осей при запуске привода не-нагруженного электровоза (без состава). При моделировании был имитирован износ бандажей колес одной из ведущих осей на величину, максимально допустимую по ПБ.
Результаты моделирования позволяют, что:
• предложенная структура системы электропривода работоспособна и обеспечивает формирование требуемой механической характеристики;
• подсистема выравнивания тяговых усилий обеспечивает примерно равномерное их распределение между ведущими осями. При отсутствии указанной подсистемы неравномерность распределения тяговых усилий при разнице диаметров бандажей колесных пар в 20 мм превышает 50 % общего тягового усилия электровоза.
С учетом изложенного, при проектировании асинхронного частотно-
регулируемого привода рудничного электровоза можно руководствоваться следующими положениями:
• Тяговая характеристика локомотива должна иметь форму, содержащую три характерных участка (рис. 1).
1. Янов В.П., Лозановский А.Л., Су-
слова К.Н., Штепенко П.К. Магистральный электровоз постоянного тока с асинхронным приводом и улучшенными тягово-энергетичес-кими характеристиками// Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-
Рис. 3. Кривые скорости, тягового усилия и разности тяговых усилий ведущих осей при разгоне незагруженного электровоза с изношенным бандажом на одной из колесных пар
• Схему питания тяговых двигателей целесообразно строить с использованием индивидуальных управляемых преобразователей (инверторов) для каждого двигателя.
• Для реализации максимально возможного тягового усилия обязательно применение специальных мер по равномерному распределению тягового усилия между ведущими осями.
• Формирование тяговой характеристики целесообразно производить общим формирующим устройством для всех двигателей, производя коррекцию частоты или (и) напряжения питания отдельных двигателей для равномерного распределения тягового усилия между ведущими осями.
--------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).- Новочеркасск, 1998.-Т. 40.-345 с.
2. Конашинский А.Ю. Влияние элек-
трических видов коррекции электромеханических характеристик асинхронных тяговых двигателей на их энергетические показатели. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).- Новочеркасск, 2000.-Т. 42.-324 с.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Волков Д.В. - аспирант,
Сташинов Ю.П. - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, кафедра «Электрификация и автоматизация производства», Шахтинский институт ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ), г. Шахты.
