УДК 621.313
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА НА ОСНОВЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Автоматизація технологічних
об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць VI Міжнародної науково-технічної
конференції аспірантів і студентів в м. Донецьку 24-27.04.2006 р. — Донецьк: ДонНТУ, 2006.
В настоящее время локомотивный транспорт сохраняет доминирующее
положение при доставке грузов по горизонтальным выработкам шахт. А перемещение горной массы с
использованием электровозной откатки, является одним из основных производственных процессов горного
предприятия.
Однако опыт эксплуатации шахтных электровозов свидетельствует об их низких
показателях по многим технологическим параметрам [3]. Увеличение единичных мощностей и модернизация
формы кузова, конструкции тяговых двигателей и т.п. позволили улучшить показатели использования
рудничных локомотивов, но в незначительной степени.
При этом производительность и надежность работы электровоза определяется,
главным образом, состоянием его привода.
Задача регулирования механических параметров тягового привода в настоящее
время решается посредством применения в качестве приводного двигателя постоянного тока последовательного
возбуждения. Основными преимуществами этой машины по сравнению с остальными двигателями являются
простота реализации процесса регулирования скорости, посредством амплитудного (реостатные системы) или
импульсного (тиристорные системы) управления напряжением якорной обмотки, а так же возможность
непосредственного подключения к автономному источнику электропитания (аккумуляторной батарее) [1].
Однако, отличительной особенностью конструкции подобного двигателя, является наличие в нем
коллекторно-щеточного узла и сложной обмотки якоря. Сложность конструкции обусловливает относительно
невысокую надежность тягового двигателя и повышен-ные требования к его обслуживанию. Во время эксплуатации
ДПТ необходимо еженедельно проверять состояние коллектора, щеток, щеткодержателей, катушек полюсов,
обмотки якоря, подшипников; удалять пыль и подгар пластин коллектора.
В связи с этим является актуальной задача разработки альтернативного тягового привода,
лишенного недостатков привода постоянного тока. Одним из возможных вариантов является применение для этой
цели бесколлекторных двигателей переменного тока.
В этом отношении лучшими показателями обладают двигатели переменного тока, а также
вентильные двигатели. Применение асинхронного двигателя связано с необходимостью согласования уровня
напряжения источника питания и двигателя, а так же использования сложного преобразователя частоты или
инвертора для регулировки скорости вращения.
Эффективным решением задачи разработки альтернативного тягового привода,
лишенного недостатков привода постоянного тока является применение для этой цели бесколлекторного двигателя
переменного тока, в качестве которого может быть использован вентильный двигатель (ВД) с возбуждением от
высокоэнергетических постоянных магнитов на роторе, выпуск которых освоен ведущими электротехническими
компаниями. Примером может служить серия двигателей 5ДВМ.
ВД обладают целым рядом конструктивных и техникоэксплуатационных преимуществ,
по отношению к существующим типам электрических машин: отсутствие узлов, требующих
техобслуживания – бесколлекторная машина; обеспечение взрывобезопасности; большая перегрузочная способность
по моменту, что обеспечивает возможность применения в тяговом приводе; высокое быстродействие, возможность
оптимизации режимов работы по скорости и нагрузке; наивысшие энергетические показатели;
высокая надежность и повышенный ресурс работы; низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с
возможными перегрузками.
Таким образом, преимущества ВД с электронными системами управления объединяют
в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока, а часто и превосходят их.
Рассмотрим принципы управления и особенности построения электропривода на
основе использования ВД.
Успехи в области силовой и микропроцессорной техники создали благоприятные
условия для разработки и производства электроприводов нового поколения на базе вентильных электродвигателей.
Как известно, в ВД щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором,
якорь находится на статоре, а ротор представляет собой постоянный магнит [2]. Упрощенная схема трехфазного
вентильного двигателя с двухполюсным ротором представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Схема вентильного двигателя
Важным элементом двигателя является датчик положения ротора (ДПР) который реализует
обратную связь по положению ротора, выполняет ту же функцию, что и коллектор в ДПТ. Его работа может быть
основана на разных принципах – фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т.д. Наиболее целесообразно
использовать двигатель с фотоэлектрическим датчиком, так как он практически безинерционен и позволяет избавиться
от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора. Фотоэлектрический датчик, содержащий три
неподвижных фотоприемника a, b, c, которые закрываются поочередно вращающейся шторкой. Двоичный код,
получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Таким образом, ДПР генерирует периодические
сигналы, по которым происходит управление силовыми ключами коммутатора VT1-VT6, подключая к сети
соответствующие обмотки статора, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети
подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом
на 120°. Временная диаграмма работы ВД представлена на рисунке 2. Где i и е – фазные токи и значения ЭДС;
a, b, c – логические сигналы от ДПР; VT1-VT6 – временные интервалы работы соответствующих силовых ключей.
Рисунок 2 — Временные диаграммы вентильного двигателя
Одному циклу работы коммутатора соответствует один оборот ротора. Цикл делится на
шесть тактов (временных фаз), которым соответствует пространственный угол 60 град. Коммутация
производится так, что поток возбуждения ротора – Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря.
В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создается вращающий момент M, который стремится
развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР
происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.
Можно сказать, что если в ДПТ обмотки переключались с помощью коллектора,
то в вентильных двигателях переключение обмоток осуществляется системой управления.
Вентильный двигатель работает как синхронный двигатель, частота вращения его
ротора пропорциональна частоте вращения поля. Основным отличием от синхронного является его
самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у этого двигателя, наоборот, частота вращения поля
пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания.
Для управления характеристиками вентильного двигателя наиболее целесообразно
использовать микропроцессорную систему управления (МСУ).
На рисунке 3 представлена предлагаемая структурная схема привода.
Рисунок 3 — Структурная схема привода
Питание двигателя осуществляется от аккумуляторной батареи (АБ), через коммутирующее
устройство (КУ), фильтр (Ф) и силовой полупроводниковый преобразователь (СПП). В качестве элементов СПП
целесообразно использовать силовой IGBT модуль транзисторов с полной управляемостью. Сигнал от ДПР поступает
на счетчик импульсов (СИ), который производит их подсчет для определения текущей скорости.
Для программного управления ВД необходима цифровая обработка аналоговых сигналов
(от датчика тока) и дискретных (угловое положение ротора и скорость) входных сигналов и сигналов обратных
связей.
Регулирование тока двигателя осуществляется с помощью широтно-импульсного
регулирования напряжения, подводимого к статору.
Распределитель импульсов (РИ) получает широтно-модулированный сигнал от
регулятора тока РТ и в зависимости от положения ротора включает ту или иную пару силовых ключей по
следующим логическим зависимостям:
Спецификой данного способа управления является то, что ШИР по очереди
выполняют ключи инвертора двух фаз, включенных в данный момент времени к источнику питания.
Это позволяет использовать классическую схему построения силового инвертора, рисунок 4.
Рисунок 4 — Силовая схема подключения инвертора
АЦП преобразует аналоговый сигнал от датчиков тока (ДТ) в цифровой, для согласования
в микропроцессорной системе управления. Драйверы силовых ключей (Др) формируют управляющие импульсы для
силовых ключей инвертора, и выполняют функцию их защиты.
Система управления реализуется как двухконтурная подчиненного регулирования,
при которой в каждом контуре ведется компенсация одной постоянной времени.
Первый контур (внутренний) регулирования тока статора двигателя содержит
релейный (двухпозиционный) регулятор тока (РТ), задающим сигналом для первого контура является сигнал с
выхода регулятора скорости. Таким образом, РТ стабилизирует ток на заданном уровне путем периодичного
включения и отключения одного или обоих ключей силового инвертора.
Вторым (внешним), по отношению к контуру тока, является контур регулирования
скорости. Он содержит регулятор скорости (РС) и осуществляет обратную связь по скорости. Сигнал задания
скорости поступает с пульта управления (ПУ) машиниста электровоза.
Таким образом, одним из направлений совершенствования привода является отказ
от использования ДПТ и нерациональных схем управления электроприводом. Одним из решений проблемы может
быть применение в качестве приводных вентильных двигателей. Будучи оснащенными силовым инвертором и системой
управления с использованием микроконтроллера, такие электродвигатели в принципе позволили бы решить задачу
совершенствования электропривода шахтного электровоза.
Перечень ссылок
- Синчук О.Н., Беридзе Т.М., Гузов Э.С. Системы управления рудничным электровозным транспортом, - М.: Недра, 1993. - 255 с.
- Казачковський М.М. Комплектні електроприводи: Навч. посібник - Дніпропетровськ.: НГУ, 2003, - 226с.
- Дебелый В.Л. Современные подходы к модернизации шахтного транспорта // Уголь Украины, декабрь, 2002 г.
Вернуться в библиотеку