В настоящее время для перемещения полезных ископаемых на шахтах и рудниках кроме конвейеров широко применяется электровозная откатка, которая осуществляется контактными или аккумуляторными электровозами, обеспечивая около 70% перевозки угля по горизонтальным выработкам.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, применяемые в рудничных локомотивах, имеют ряд недостатков: низкий ресурс и надежность коллекторного узла, якорных и полюсных обмоток двигателей, повышенная трудоемкость их обслуживания. В свою очередь, простои оборудования, вызванные ремонтными работами, снижают эффективность технологического процесса транспортирования горной массы. Вышеизложенные недостатки обуславливают необходимость поиска альтернативных решений при создании регулируемого электропривода аккумуляторных электровозов, применяемых в горном производстве. Одной из альтернатив является применение вентильных двигателей (ВД) на базе синхронных машин.

Классической формой тяговой характеристики, является характеристика с тремя участками: жестким, мягким и участком постоянной мощности (сама характеристика 2) (рис. 1) [1]. Характеристика представляет собой так называемую «тяговою область», ограничивающую возможные рабочие режимы привода. На максимальное значение развиваемой скорости (соответствующее линии 1) накладывается ограничение по требованиям безопасности и, в ряде случаев, состоянием пути, линии 3 соответствует ограничение тягового усилия по сцеплению.

Рисунок 1 – Классическая тяговая характеристика электропривода электровоза

Исходя из вышесказанного, основным требованием к электроприводу является его устойчивая работа во всем диапазоне варьирования тяговых (тормозных) усилий при условии ограниченности энергоемкости аккумуляторной батареи (АБ).

Исследуемый ВД рассматриваем во вращающейся системе координат d – q, сориентированной по вектору потока ротора Ф_f (рис. 2). ВД будет развивать максимальный движущий момент, если между вектором i_q и Ф_f будет неизменным угол Θ = 90. Для обеспечения этого условия система управления, с помощью датчика положения ротора, должна соответствующим образом формировать тока и напряжения в обмотках статора.

Рисунок 2 – Пространственное размещение вращающейся системы координат ориентированной по вектору Ф_f

В операторном виде динамическая модель ВД описывается системой уравнений [2]:

(1)

где n – количество пар полюсов;
Ф_f – поток ротора от постоянных магнитов;
ω – угловая частота вращения поля ротора;
L₁ – приведенная индуктивность фазы ротора (для неявнополюсного ВД);
T_s=L₁/R₁ – постоянная времени двигателя;
M_c – момент сопротивления;
J – момент инерции ротора.

Из этих выражений следует, что при Ф_f = const электромагнитный момент двигателя однозначно определяется составляющей тока i_1q. Следовательно, наиболее экономичным режимом работы вентильного двигателя является такой, при котором обеспечивается равенство нулю тока i_1d, что соответствует наименьшему значению тока, потребляемого при данной нагрузке.

Наиболее приемлемым для наших условий является такой режим ВД, когда угол между напряжением статора и ЭДС ротора составляет ψ = 0. При этом проявляется только поперечная реакция якоря (ротора), и машина потребляет реактивную энергию, развивая максимальный момент, пропорциональный току статора.

При условии ограничения потребления электрической энергии со стороны АБ этот режим можно осуществить при питании ВД от автономного инвертора напряжения (АИН) по закону коммутации 120°.

Как видно из системы уравнений (1) составляющие напряжений u_1d и u_1q одновременно зависят от составляющих токов по осям d – q. Для устранения этой связи в модели ВД введем дополнительные искусственные ЭДС:

(2)

При разделении каналов управления уравнения напряжений будут иметь вид:

(3)

Синтез регуляторов в системе подчиненного регулирования ВД осуществляется аналогично, как и для двигателя постоянного тока. Структурная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Расчетная структурная схема системы управления ВД

На схеме обозначено: W_п(p) – передаточная функция силового преобразователя; W₁(p), W₂(p) – передаточная функция вентильного двигателя, соответственно его электрическая и механическая части; К_п, Т_п – коэффициент усиления и наименьшая постоянная времени силового преобразователя; Т_м – электромеханическая постоянная времени двигателя; W_рс, W_рт – передаточная функция регулятора скорости и тока; К_т, К_с – коэффициенты обратных связей по току и скорости; ω_з, I_з – задающий сигнал по скорости и току.

Настраивая систему управления ВД на модульный оптимум, передаточные функции регуляторов имеют вид:

(4)

Зададимся электродвигателем мощностью 20 кВт, эквивалентный к двигателю постоянного тока, применяемого на рудничных локомотивах.

В соответствии с тяговой диаграммой (рис. 1) мощность, потребляемая двигателем, должна оставаться независимой при разной нагрузке на электродвигатель. Исходя из ограниченности энергоемкости аккумуляторной батареи, необходима оптимизация потребляемой мощности, что решается применением блока ограничителя тока (БОТ), ток ограничения определяется из выражения:

(5)

Алгоритм работы БОТ приведен на рисунке 4.

БОТ размещается после регулятора скорости РС и ограничивает величину тока задания на регуляторе тока РТ. Исследуемая структурная схема модели ВД с системой управления приведена на рисунке 5.

Рисунок 4 – Алгоритм работы блока ограничения тока

Рисунок 5 – Структурная схема исследуемой модели ВД

Семейство естественных и искусственных механических характеристик ВД с разными Р_опт представлены на рисунке 6 а.

Рисунок 6 – Результаты моделирования: а) тяговые характеристики ВД; б) зависимость потребляемой мощности ВД от момента сопротивления на валу.

Естественные механические характеристики ВД при использовании системы управления с подчиненным регулированием (рис. 3) достаточно жесткие (рис. 6 а), применяя оптимизацию по току задания на регуляторе тока РТ с помощью блока ограничения тока БОТ, получаем искусственные механические характеристики, аналогичные механическим характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Также в результате моделирования была получена графическая зависимость между потребляемой мощностью привода и моментом сопротивления на валу (рис. 6 б), из которой видно, что при изменении нагрузки, потребляемая мощность ВД остается постоянной.

Таким образом, полученные характеристики вентильного привода, отвечают необходимым условиям управления тяговым приводом (рис. 1), при изменении нагрузки на двигатель потребление энергии остается практически постоянной, что подтверждает возможность использования ВД в системе привода шахтного электровоза в условиях ограниченности электроемкости аккумуляторной батареи.

Библиографические ссылки
1. Малиновский А. К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: Учебник для вузов. / А. К. Малиновский. – М: Недра, 1987. С. 225-243.
2. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. / С. Г. Герман-Галкин. – Спб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с., ил.