CC BY
173
_____________________________________________ © Д.В. Волков, 2009
Д.В. Волков
РЕАЛИЗАЦИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА СРЕДСТВАМИ АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНОРЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рассмотрены вопросы реализации рациональной тяговой характеристики при использовании асинхронного привода, в частности, построения системы управления.
Ключевые слова: рудничный электровоз, тяговое усилие, асинхронный двигатель, электропривод.
Одной из основных характеристик рудничного электровоза является его тяговая характеристика - зависимость развиваемой скорости от тягового усилия. Она обычно представляется как кривая в системе координат тяговое усилие - скорость. На возможные режимы работы привода накладываются ограничения различного характера. В связи с этим можно говорить о допустимой области существования тяговых характеристик - области, ограниченной линиями допустимых режимов, внутри которой должна полностью помещаться тяговая характеристика.
Подробное описание накладываемых ограничений приведено в [1], [2]. К ним относятся ограничения по допустимой скорости, предельному тяговому усилия и предельной скорости, по длине тормозного пути.
Асинхронный двигатель обладает жесткой естественной механической характеристикой, которая благоприятна для тягового привода с точки зрения реализации тягового усилия [3]. Следовательно, тяговую характеристику локомотива можно получить, используя непосредственно естественную механическую характеристику, если обеспечить ее положение внутри допустимой области существования тяговых характеристик.
Рассмотрим вопросы реализации тяговой характеристики с использованием асинхронного привода, а именно: 1) рациональное построение силовой схемы электровоза; 2) выбор типа и мощности тягового двигателя; 3) построение системы управления. Данные вопросы во многом взаимосвязаны.
Силовая часть аккумуляторного электровоза состоит из аккумуляторной батареи, элементов защиты и фильтров, преобразовательной установки и асинхронных тяговых двигателей. Преобразовательная установка осуществляет преобразование постоянного напряжения аккумуляторной батареи в трехфазное переменное, а также обратное преобразование энергии при рекуперативном торможении (в случае его применения).
Подобная установка может осуществлять преобразование низкого напряжения батареи в трехфазную систему напряжений для подачи на двигатель специального исполнения, обмотки которого выполнены на низкое напряжение; либо может осуществлять преобразование низкого напряжения батареи в трехфазное напряжение одной из стандартных величин, например, 380 или 660 В. В первом случае преобразователь включает в себя только инвертор, во втором случае, он должен дополнительно содержать повышающий преобразователь напряжения либо согласующий трансформатор [4], [5]. Данный вариант преобразователя более сложен, однако имеет ряд преимуществ, в частности, возможность применения типового двигателя на стандартное напряжение. При таком построении преобразовательной установки инвертор фактически питается стабилизированным напряжением, тогда как в случае прямого питания от батареи он должен быть рассчитан на значительные колебания питающего напряжения. Кроме того, при высоком номинальном напряжении двигателя проще осуществляется рекуперативное торможение на батарею до малых скоростей движения, так как генерируемое двигателем напряжение оказывается выше напряжения батареи.
Другим вопросом построения преобразовательной установки является применение индивидуальных преобразователей на каждый двигатель либо одного общего преобразователя. Особенность асинхронного привода в том, что при параллельном питании двигателей от одного источника и допустимой разнице параметров приводов (например, различном износе ведущих колес) неравномерность нагрузки оказывается недопустимо большой. Таким образом, требуется питание тяговых двигателей от индивидуальных преобразователей либо питание от общего преобразователя с применением каких-либо специальных мер по выравниванию нагрузок тяговых двигателей.
GB1
JZ~
т_______
Контроллер
машиниста
Изменяемые
параметры
Упрощенная схема асинхронного тягового привода
Наиболее перспективным видится применение индивидуальных инверторов для питания каждого двигателя. Данное решение имеет преимущество в том, что потери в преобразователе распределяются на два устройства, что упрощает их охлаждение (в шахтных условиях желательно применение естественного воздушного охлаждения, тогда как в общепромышленных преобразователях широко применяется принудительное охлаждение). Упрощенная принципиальная схема силовой части асинхронного тягового привода показана на рисунке. На ней имеются два автономных инвертора U2 и U3, преобразователь постоянного напряжения U1 и тяговая батарея GB1.
При освоении асинхронного привода следует стремиться применять типовые двигатели, либо специальные, разработанные на базе типовых.
На эксплуатируемых в настоящее время рудничных электровозах применяются тяговые двигатели в закрытом исполнении с естественным охлаждением, что продиктовано тяжелыми условиями эксплуатации. Выпускаемые в настоящее время асинхронные двигатели в рудничном исполнении имеют преимущественно закрытое обдуваемое исполнение. Возможно также их выполнение в закрытом необдуваемом исполнении, подобно тяговым двигателям постоянного тока. Следует заметить, что эффективность обдува тягового двигателя вентилятором на его валу сомнительна, так как
электровоз значительное время работает со скоростью ниже номинальной, причем именно в этих режимах требуются максимальные моменты.
Таким образом, следует ориентироваться преимущественно на применение асинхронных двигателей с естественным охлаждением.
Как известно, при частотном регулировании асинхронный двигатель позволяет получить семейство механических характеристик, расположенных как выше, так и ниже естественной. Однако, номинальный вращающий момент может быть получен лишь при частотах питающего напряжения ниже номинальной, так как на частотах выше номинальной регулирование происходит с постоянной мощностью.
Область существования тяговых характеристик может быть разделена на область ходовых тяговых усилий и область усилий трогания (с подсыпкой). Местом разделения является точка, соответствующая максимально достижимому тяговому усилию без подсыпки песка.
Следовательно, предварительный выбор тягового двигателя может быть произведен по следующим условиям: 1) двигатель должен обеспечивать работу на естественной механической характеристике с максимально допустимым по сцеплению моментом со скоростью, ограниченной по величине тормозного пути; 2) двигатель должен допускать подъем частоты вращения до соответствующей максимальной скорости движения; 3) возможность получения вращающего момента, соответствующего ограничению по сцеплению при трогании.
Положение точки номинального момента, определяющей типовую мощность двигателя, определяется условиями охлаждения двигателя. Так как в первом приближении принят двигатель с естественным охлаждением, можно считать, что его условия охлаждения близки к применяемым в настоящее время двигателям постоянного тока, для которых специфицируется часовая мощность. Очевидно, что величина тягового усилия в часовом режиме не должна превышать тяговое усилие на пределе по сцеплению при движении, которое, согласно [6] соответствует коэффициенту сцепления 0,13. Автор [7] рекомендует для аккумуляторных электровозов величину длительного тока (которая в данных режимах при-
близительно пропорциональна тяговому усилию) принимать равной 0,55-0,6 часового тока.
Таким образом, выбрав положение естественной механической характеристики из условия получения скорости, ограниченной условиями торможения, при тяговом усилии на пределе по сцеплению при движении, и задавшись длительной тягой, соответствующей 0,55-0,6 этого предела, можно определить требуемую мощность асинхронного тягового двигателя (для длительного режима).
Способ частотного регулирования определяется требуемым диапазоном регулирования. Как показано в [8], частотное управление асинхронным двигателем в разомкнутой системе (в которой регулировка напряжения двигателя производится только в функции частоты) возможно лишь в весьма ограниченном диапазоне. В связи с тем, что для целей тяги необходимо получение максимальных моментов и на низких скоростях, требуется применение замкнутых систем.
Так как для тяговой характеристики желательна высокая жесткость, а область существования тяговых характеристик ограничена в основном условием торможения, то система управления частотой вращения может быть в значительной мере упрощена. Входным воздействием данной системы является сигнал задания желаемой скорости движения, который большую часть времени непосредственно передается на вход управления частотой вращения двигателей. Роль системы управления сводится к наложения ограничений на выходную частоту инверторов в зависимости от текущей нагрузки привода. К таким ограничениям относятся: 1) ограничение максимальной скорости в соответствии с тяговой характеристикой; 2) ограничение частоты инвертора по состоянию батареи; 3) ограничение частоты из условия удержания режима двигателя в пределах устойчивой части механической характеристики (до критического скольжения).
Подобную систему рационально строить с использованием микропроцессорной техники, сравнительно просто реализующей функции сравнения дискретных величин. Система управления (рис. 1) принимает задающие сигналы от контроллера машиниста и от задатчиков изменяемых параметров, к которым относится, например, предельная скорость движения в данных условиях откатки. Входными сигналами системы управления являются сигналы угловой скорости каждого из двигателей, а также параметры работы
преобразователей (токи и напряжения, соответствующие цепи на рисунке не показаны). Выходными сигналами являются сигналы управления преобразователями.
Отдельной задачей построения системы управления является выравнивание нагрузок тяговых двигателей. Основным способом ее решения в настоящее время является поосное регулирование режимов двигателей, которое в том или ином виде реализуется на большинстве моделей вновь разрабатываемого подвижного состава [9]. На рудничном электровозе подобное регулирование может быть реализовано путем корректирования задающего сигнала на входах систем управления инверторами. Отличительной особенностью системы выравнивания нагрузок является то, что рассогласование нагрузок колесных пар может возникать также ввиду различных условий сцепления (типичный пример - наезд на масляное пятно). Для исключения ложных срабатываний системы выравнивания в подобных случаях, она должна иметь значительное время реакции, так как обычные причины возникновения неравномерности нагрузок (прокат бандажей, неидентичность электромеханических характеристик двигателей) изменяются весьма медленно. С целью исключения длительных переходных процессов в такой системе после запуска, желательно сохранение использованных ранее величин коррекции в энергонезависимой памяти.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков Д.В. Асинхронный тяговый привод - особенности применения на рудничном электровозе // Исследования в области конструирования, рабочих процессов и эксплуатации технологических машин: сб. научн. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. -
С. 192 - 197.
2. Волков Д. В. К вопросу формирования рациональной тяговой характеристики рудничного электровоза // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ “Набла” ЮРГТУ (НПИ). -2007. - С. 187 - 192.
3. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. А. Т. Головатый, И. П. Исаев, Е. Т. Горчаков. Под ред. А. Т. Головатого. - М.: Транспорт, 1976. - 152 с.
4. Мирошник Д. Н., Шавелкин А. А. Преобразоваетль частоты с промежуточным импульсным преобразователем для асинхронного привода с питанием от аккумуляторной батареи // Автоматизація технологічньїх об’єктів та процесів. Пошук молодих. - Донецк, ДонНТУ, 2003. - С. 254 - 257.
5. Маренич К.Н., Ставицький В.Н., Самойлов А.И.. Обоснование технических решений для создания асинхронного частотно-регулируемого электропривода шахтного аккумуляторного электровоза. // Донбасс-2020: наука і техніка - виробництву: Матеріали науково-практичної конференції. м. Донецьк, 05-06 лютого 2002 р. - Донецьк, ДонНТУ Міністерства освіти і науки, 2002. - С. 409 - 411.
6. Ренгевич А.А. Коэффициент сцепления шахтных электровозов // Вопросы рудничного транспорта. Сб. статей. Вып. 5. под ред. чл.-корр. АН УССР, проф. Н. С. Полякова. М. - 1961 г. - С. 227 - 246.
7. Кузьменко Л. В. Пути интерсификации охлаждения тяговых электродвигателей рудничных электровозов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01. - Харьков. -
8. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. - 328 с.
9. Лебедев А.В., Ефимов Е.М., Колпахчьян Г. И., Лебедев Д. А. Схема тягового вентильного электропривода пассажирского электровоза ЭП200. //Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»).- Новочеркасск, 2000.-Т. 42.-324 с.
D.V. Volkov
REALIZATION OF THE RATIONAL TRACTIVE CHARACTERISTIC OF THE MINE ELECTRIC LOCOMOTIVE BY THE ASYNCHRONOUS FREQUENCY-REGULATED ELECTRIC DRIVE MEANS
Questions of realization of the rational tractive characteristic at the use of an asynchronous drive, in particular, control system constructions, are considered.
Key words: mine electric locomotive, tractive effort, asynchronous engine, elec-
__ Коротко об авторе _____________________________________________
Волков Д.В. - инженер, Шахтинский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ), г. Шахты, siurgtu@ siurgtu.ru
1983.
tric drive.
