CC BY
29
т
ТРАНСПОРТ
Система адаптации электропривода транспортных средств для работы с учетом состояния оператора
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, электропривод, безопасность, система адаптации, момент, ток, магнитный поток, ЭДС, электродвигатель постоянного тока.
Синицын И.Е, кт.н., доцент кафедры АИТП РГРТУ
Варнавский А.Н., кт.н, доцент кафедры АИТП РГРТУ, var-navsky_alex@rambler.ru
Корочкин ЕС, аспирант кафедры АИТП РГРТУ, eliseysergeevich@mail.ru
Введение
Возросшее число транспортных средств, участвующих в дорожном движении ухудшает экологическую обстановку окружающей среды в связи с использованием токсичных горючесмазочных материалов, повышает нервнопсихическое напряжение участников движения, приводящее нередко к срывам нервной системы с различными степенями последствий взаимодействия транспортных средств. В связи с этим особое внимание уделяется внедрению экологически безопасного электрического привода для транспортных средств и обеспечению их безопасной эксплуатации. С этой точки зрения представляет интерес поиск методов и средств реализации систем безопасной эксплуатации транспортных средств и силовых элементов электропривода с учётом состояния оператора, в том числе и построение систем безопасности.
Цель работы — реализация возможности безопасной эксплуатации транспортных средств с электроприводом в соответствии с физическим состоянием оператора и построение необходимой системы безопасности.
1. Сравнительный анализ некоторых типов электродвигателей на предмет приоритетного использования их в электроприводах транспортных средств.
Наиболее простым и доступным к использованию на транспорте является асинхронный трёхфазный электродвигатель. Надёжность асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, технологичность производства, неприхотливость обслуживания - определяют приоритет их использования. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют некоторые преимущества по сравнению с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а, именно, увеличенный пусковой момент при других одинаковых параметрах.
Современные средства регулирования частоты вращения ротора асинхронных электрических двигателей делают их основными конкурентами электродвигателям постоянного тока.
Одним из наиболее важных недостатков электродвигателей постоянного тока является увеличенная масса и габариты по сравнению с асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором при одинаковых мощно-стных показателях, кроме того, они имеют меньшую надёжность и требуют более тщательного обслуживания [1]. Однако, использование электродвигателей постоянного тока в качестве тяговых предпочтительнее, особенно в автономных электроприводах с питанием от источников постоянного тока типа аккумулятор или гальванических элементов.
Разработана система адаптации электропривода с асинхронным или иным электродвигателем для использования в работе с учетом состояния оператора, проведен сравнительный анализ некоторых типов электродвигателей, приведены основные теоретические положения для физических процессов в электродвигателях системы адаптации.
Не зависимо от используемого на транспортном средстве электродвигателя, существует необходимость быстрого снижения скорости транспортного средства или полного его останова. Это может быть связано либо с окружающей средой, либо с физическим состоянием оператора. Физическое состояние оператора определяется соответствующими датчиками состояния и преобразуются в электрический сигнал, необходимый для управления системой безопасности транспортного средства.
2. Построение системы адаптации и безопасности электропривода транспортного средства. Система безопасности гранспортного средства связана непосредственно с системой управления приводным электрическим двигателем.
Для асинхронных электродвигателей используемых на транспорте предлагается уложить дополнительную обмотку с меньшим числом витков в пазы совместно с основной обмоткой статора. Дополнительная обмотка, при необходимости, системой безопасности транспортного средства через промежуточные коммутирующие устройства подключается к источнику постоянного тока. Необходимость такого включения определяется физическим состоянием оператора гранспортного средства. Подключение дополнительной обмотки к источнику постоянного тока может осуществляться как при одновременном отключении основной обмотки статора от сети, так и без отключения последней.
Постоянный ток, протекая по дополнительной обмотке на статоре, создаёт постоянное магнитное поле, которое является тормозящим магнитным полем. В результате вращающий момент приводного электродвигателя снижается и транспортное средство замедляется.
Такие ситуации соответствуют изменению состояния оператора малой и средней тяжести без потери памяти и самообладания. В случае острого, критического изменения состояния оператора, вплоть до его полного выхода из строя, в системе безопасности предусматривается режим экстренного торможения, при котором работает устройство электрического торможения, использующее самый эффективный метод торможения -торможение противовключением, при котором статорные обмотки трёхфазных асинхронных двигателей переключаются на другую последовательность чередования фаз, а для двигателей постоянного тока меняется полярность напряжения, подводимого к обмотке возбуждения или якорной обмотке, но только в одном случае. Для ограничения токов в обмотках электродвигателя при экстренном торможении, система управления тормозными режимами включает токоограничиваюшие элементы последовательно с обмотками, которые переключаются или на которых изменяется полярность подводимого напряжения. Такая мера защиты электрических двигателей в тормозных режимах позволяет сохранить тяговый двигатель от выхода из строя и повысить надёжность электрического привода в целом.
Физические процессы происходящие в электрическом двигателе переменного тока могут быть рассмотрены исходя из классического представления о механическом моменте и токах в обмотках двигателя, так для асинхронного трёхфазного электродвигателя момент определяется в виде [2]: М = С„Ф„,/, eos у/,.
где Сц = рт,к,Л11 >¡2- постоянный коэффициент; р - число пар
полюсов обмотки ротора; пь - число фаз обмотки ротора;
т
ТРАНСПОРТ
Ф,„ - амплитудное значение магнитного потока статорной обмотки; ¡2 - ток обмотки ротора; (// 2- угол между Е2 и А роторной обмотки.
Известно [3], что ! _ , где
ЭДС обмотки ротора; £, = 4,44/|11’,Л,„;,</>,„ - ЭДС роторной обмотки при заторможенном роторе; 8 - скольжение (0<8<1);_/) - частота сети; - число витков обмотки ротора; /[„¿г... - обмоточный коэффициент роторной обмотки; /?>, X; —активное и реактивное сопротивления роторной обмотки.
Приняв во внимание, что ф — ™ ■.;«[а> 71 |- дейст-
Л I ' 2)
вующсс значение магнитного потока в зазоре и р , можно показать, что , _ к,„,Лс1Ф! с!!)х ,
2 2_" №+х'„
перейдя от производной к приращениям имеем I . где Ф/, - значение магнитного потока
: “ +
в некоторый момент времени 1п, ФI - магнитный поток обмотки статора. Изменяя Ф„, можно менять ток якорной обмотки, а, следовательно, и момент развиваемый двигателем. Известно 14), что при пересечении замкнутого контура магнитными силовыми линиями, в последнем возникает собственное магнитное поле направленное против порождающего его магнитного поля, (закон Ленца). Величина собственного магнитного поля зависит от скорости изменения порождающего магнитного поля, наводимой ЭДС и внутреннего сопротивления контура, а, следовательно, на величину поля можно влиять, изменяя сопротивление контура. Внутреннее (собственное) сопротивление контура определяет ток в контуре и, как следствие, магнитный поток, связанный с током. Символически эта
связь выражается в виде </> _ ^ [3], где, Ф - магнитный
Д,„
поток контура; НУ — ампервитки контура; /? - магнитное
сопротивление цепи контура.
Основываясь на этом можно констатировать, что для достижения поставленной цели достаточно уложить дополнительную обмотку на статор асинхронного двигателя, в случае использования его в качестве тягового в электроприводе, расположив в тех же пазах, в которых размешается основная обмотка, но с меньшим числом витков и большим сечением.
Физические процессы, протекающие в двигателе постоянного тока, в случае использования его в качестве тягового в электроприводе транспортного средства примерно аналогичны процессам в электродвигателе переменного тока. Электромагнитный момент развиваемый двигателем постоянного тока определяется в виде М с„,Ф1н [ 1 ], где, Ст — электромеханическая постоянная; Ф — магнитный поток; / - ток обмотки якоря.
Из выражения для электромагнитного момента следует, что направление момента зависит как от направления магнитного потока, так и от направления тока в обмотке якоря. Изменение направления одной из составляющих в правой части выражения для электромагнитного момента
изменяет направление самого момента. Следовательно, для создания тормозного момента в режиме экстренного торможения достаточно сменить направление тока в одной из обмоток либо в статорной, либо в якорной. Это обеспечивается сменой полярности напряжения, приложенного к данной обмотке. Для притормаживания двигателя постоянного тока — уменьшения скорости вращения якоря, достаточно уменьшить напряжение на обмотке якоря до необходимого значения не изменяя полярности. Этот
процесс символически выражается в виде „ _ ^ ~^ХГ' [5],
с,6
где, п — скорость вращения якоря (об./мин); /* — ток обмотки якоря; се — электрическая постоянная двигателя; Ф — магнитный поток; /• - суммарное сопротивление цепи якоря.
Рассмотренные процессы позволяют определить структуру управления электроприводом транспортного средства в экстренных ситуациях и построить систему адаптации электропривода к состоянию оператора.
Па рисунке представлена структурная схема системы адаптации, в которой пунктирной линией выделена система безопасности СБ, включающая систему защиты СЗ, блок экстренного торможения БЭТ и блок управления торможением БУТ. В системе адаптации обозначены: ОН - оператор; ИП - источник питания; ПН — преобразователь напряжения; ЭЛ. ДВ. -электродвигатель.
Структурная схема системы адаптации
Стрелками показаны логические связи между отдельными функциональными блоками в системе адаптации электропривода, а также связи между элементами системы безопасности.
Заключение
В результате проведенного анализа предложена система адаптации электропривода транспортного средства для работы с учётом состояния оператора. Экономический эффект от использования предложения подсчитать сложно, однако, социальная значимость его достаточно велика.
Литература
1. Кацман М.М. Электрические машины. - М.: Академия, 2003. -496 с.
2. 1>рускнн Д.Э. Электрические машины и микромашины. — М.: Высшая школа. 1981, —482 с.
3. Общая электротехника: учеб пособие для вузов / под ред. А.Т. Блажкина. — Л.: Энергия, 1979. — 472 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. - М.,1978. -480 с.
5. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 2006. - 607 с.
System of adaptation of the electric drive of vehicles For work with the account of a condition of the operator
Sinitsyn I.E., Ph.D, Docent RSREU department of AITP Varnavsky AN, Ph.D, Docent RSREU department of AITP, var-navsky_alex@ramblerru Korochkin E.S., post-graduat student RSREU, Ryazan, eliseysergeevich@mail.ru
Abstract. With asynchronous or other electric motor the system of adaptation of the electric drive Is developed for use in work taking into account a condition of the operator, the comparative analysis of some types of electric motors is carried out, the basic theoretical positions for physical processes in electric motors of system of adaptation are resulted.
Keywords the asynchronous electric motor, the electric drive, safety, adaptation sys-tem, the moment, a current, a magnetic stream, ЭЦQ the direct current electric mo-tor.
