Содержание

        1. Введение. Обоснование актуальности
        2. Цели и задачи диссертации
        3. Обзор существующих исследований и разработок
        4. Построение автоматизированного электропривода на основе ВД
        5. Математическая модель вентильного электропривода
        6. Выводы. Направление дальнейших исследований
        7. Литература

1. Введение. Обоснование актуальности

        Основной вид внутришахтного транспорта - электровозный. Он обеспечивает около 70% грузоперевозок горной массы, продолжает оставаться доминирующим [1]. Однако, не претерпев серьезных технических усовершенствований, электровозный транспорт имеет низкие показатели практически по всем технологическим и эксплуатационным параметрам. Увеличение единичных мощностей и модернизация формы кузова, конструкции тяговых двигателей и т.п. позволили улучшить показатели использования рудничных электровозов, но в небольшой степени.
        В настоящее время ставятся задачи совершенствования двух основных систем управления используемых для автоматизации рельсового транспорта шахт: систему управления электровозом и систему управления движением электровозов.
        Технико-экономические показатели системы управления электровозом в первую очередь зависят и от эффективности электропривода, который в последнее время претерпел мало изменений. Последние достижения в области создания силовых полупроводниковых приборов, а также развитие цифровых информационных технологий открывают широкие возможности для решения задачи повышения эффективности, как существующих систем привода, так и вновь разрабатываемых.
        Актуальность работы в этом наплавлении обусловлена низкой эффективностью эксплуатации применяемых двигателей постоянного тока, необходимостью совершенствования системы управления электровозом.

2. Цели и задачи диссертации

        Целью диссертации является - исследование процессов и обоснование системы автоматизированного электропривода шахтного электровоза на основе использования вентильного двигателя.
        Для этого необходимо решить ряд основных задач.
        1. Построение математической модели качественно нового привода на основе вентильного двигателя (ВД) обладающего лучшими технико-экономическими показателями по сравнению с существующим приводом постоянного тока. В то же время, принцип регулирования ВД не отличается от применяемых в настоящее время двигателей постоянного тока.
        Математическая модель позволяет наиболее наглядно провести анализ процессов в приводе с ВД выбрать его наиболее рациональные параметры, провести синтез алгоритмов управления.
        2. Разработка системы управления тяговыми двигателем в функции положения ротора и использованием широтно-импульсного метода регулирования на основе применения вентильного двигателя.

3. Обзор существующих исследований и разработок

        По сравнению с приводами большинства горных машин и механизмов рабочий режим тягового привода характеризуется рядом отличительных особенностей, сущность которых следует из анализа диаграммы движения электровоза (рис. 1).

Рисунок 1 — Диаграмма движения электровоза

        Приводу шахтного локомотива свойственны частые перегрузки, имеющие место в режимах пуска (Fпуск) и торможения (Fторм). Переменный вес состава, непостоянный коэффициент сцепления и уклон путей также обусловливают значительное колебание сил сопротивления движению, а, следовательно, и мощности, потребляемой приводом. При этом с целью ограничения ее величины необходимо обеспечивать соответствующее снижение частоты вращения тягового двигателя.
        Таким образом, основным требованием к тяговому приводу является его устойчивая работа во всем диапазоне варьирования тяговых усилий при условии ограничения потребляемой мощности величиной энергоемкости аккумуляторной батареи или тяговой сети. Указанные обстоятельства определяют форму тяговой характеристики шахтного аккумуляторного электровоза (рис. 2).

Рисунок 2 — Тяговая диаграмма электровоза

        В общем случае она состоит из двух зон регулирования: режима пуска и разгона электровоза.
        При пуске (участок 1-2 на рис.2) должна обеспечиваться постоянная сила тяги, значение которой определяется ограничением по сцеплению между колесами и рельсами. Тяговый двигатель при пуске должен развивать момент, превышающий его номинальное значение в 1,5-2 раза [2]. По мере увеличения скорости мощность, потребляемая тяговым двигателем, возрастает. Скорость в конце режима пуска (точка 2 на рис. 2) определяется допустимой длительной мощностью источника питания.
        Вторая зона регулирования (участок 2-5 на рис. 2) соответствует повышенной скорости движения после достижения максимальной мощности. Данный участок тяговой диаграммы характеризуется наличием двух точек, соответствующих основным режимам работы привода локомотива. Первый из них, длительный (4), соответствует движению разгруженного электровоза и характеризуется повышенной скоростью (Vдл) при малой величине тягового усилия (Fдл). Второй, часовой (3), режим используется при транспортировании состава с номинальным весом. При этом электровоз работает на малой скорости (Vч), развивая требуемое повышенное тяговое усилие (Fч). По величине потребляемой мощности длительный и часовой режимы могут быть классифицированы, соответственно, как продолжительный с переменной нагрузкой (S6) и кратко временный (S2). Таким образом, в соответствии с тяговой характеристикой мощность, потребляемая приводом, не остается постоянной, а в некоторой степени возрастает с увеличением усилия сопротивления движению поезда. Этим обеспечивается максимальное использование мощности двигателя при пуске, а также в наиболее производительном, часовом, режиме работы.
        Задача регулирования механических параметров тягового привода наиболее просто решается посредством применения в качестве приводного двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТ). Основными преимуществами этой машины по сравнению с остальными двигателями являются простота реализации процесса регулирования скорости, возможность непосредственного подключения к автономному источнику электропитания (аккумуляторной батарее).
        Широкое применение ДПТ в рудничном тяговом приводе обусловлено простотой регулирования частоты вращения. На практике это реализуется посредством амплитудного (реостатные системы) или импульсного (тиристорные системы) управления напряжением якорной обмотки [2].
        Применение контактной реостатной системы управления со ступенчатым управлением скоростью движения электровозов имеет существенные недостатки, так как не обеспечивает экономичное регулирование скорости, минимизацию потерь электроэнергии во всех элементах системы, плавное регулирование в напряжения, подводимого к двигателю, минимальное время разгона с выходом на естественную механическую характеристику двигателя.
        Наиболее экономичными и гибкими в управлении являются автоматизированные системы плавного управления режимами работы привода электровозов на основе тиристорных схем управления [2]. Устранение бросков тока и, следовательно, тягового усилия позволяет использовать предельно возможную, при данном коэффициенте сцепления, силу тяги и осуществлять на этом основании разгон с предельной интенсивностью. Помимо этого импульсный регулятор обладает более высоким КПД (95-98%) и надежностью по сравнению с реостатной системой [2].
        В настоящее время, примером электровозов с импульсным управлением могут служить локомотивы АРП-14 (аппаратура – ТЕРА-1М), АРП8Т.
        Применение тиристоров и силовых транзисторов позволяет также увеличить на реализуемую мощность электровоза, уменьшить размеры и массу аппаратуры, повысить надежность и экономичность эксплуатации. Для аккумуляторных электровозов это так же позволяет повысить эффективность использования заряда аккумуляторной батареи и увеличить срок ее службы.
        Несмотря на улучшенные по сравнению с реостатными системами эксплуатационные и энергетические характеристики импульсным и высокочастотным системам привода присущ общий недостаток – наличие ненадежного и дорогостоящего ДПТ.
        В настоящее время широкое распространение в рудничной электровозной тяге двигателей серий ДПТР, ЭТ, ДРТ. Отличительной особенностью конструкции подобного двигателя, является наличие в нем коллекторно-щеточного аппарата и сложной обмотки якоря. Сложность конструкции обусловливает относительно невысокую надежность тягового двигателя и повышенные требования к его обслуживанию. Во время эксплуатации ДПТ необходимо еженедельно проверять состояние коллектора, щеток, щеткодержателей, катушек полюсов, обмотки якоря, электрических соединений, подшипников; удаляя пыль, грязь, 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 ВД с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов.
        ВД обладают целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ:
        1) Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания – бесколлекторная машина, не требующая обслуживания;
        2) Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;
        3) Большая перегрузочная способность по моменту;
        4) Высокое быстродействие;
        5) Наивысшие энергетические показатели (КПД более 90%);
        6) Большой срок службы, надежность.

4. Построение автоматизированного электропривода на основе ВД

        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.
        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 [4]. Упрощенная схема трехфазного вентильного двигателя с двухполюсным ротором представлена на рисунке 1.

Рисунок 3 — Схема работы 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 4 — Временные диаграммы вентильного двигателя

        Одному циклу работы коммутатора соответствует один оборот ротора. Цикл делится на шесть тактов (временных фаз), которым соответствует пространственный угол 60°. Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора – Ф 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 5 — 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 6 — 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.

5. Математическая модель вентильного электропривода

        Под вентильным электроприводом понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из вентильного эктродвигателя и устройства управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения [3].
        Для исследования процессов в приводе на основе ВД была разработана его математическая модель.
        Моделирование ВД производиться в ортогональной системе координат. При построении математической модели ВД и электропривода принимается следующий ряд допущений:
       - трехфазная вентильная машина электрически симметрична, потери в стали не учитываются;
       - реакция якоря считается незначительной при влиянии на магнитный поток в вентильной машине;
       - напряжение аккумуляторной батареи постоянно и не изменяется в различных режимах работы привода (например, при разгоне электровоза);
       - преобразователь частоты идеализирован (предполагается, что силовые транзисторные ключи имеют бесконечно большое входное сопротивление в закрытом состоянии, а в открытом состоянии составляет сопротивление подключенной якорной цепи).
        При исследовании режимов работы во вращающихся электрических машинах, целесообразно использовать координатную систему, жестко связанную с ротором. Поскольку ротор исследуемой машины обладает магнитной асимметрией, т.е. различными магнитными проводимостями в двух взаимно перпендикулярных осях, пространственные векторы будут раскладываться на две составляющие, рисунок 7.

Рисунок 7 — Разложение векторов во вращающейся со скоростью ротора системе координат

        В направлении продольной (d) и поперечной (q) осях, причем направление оси d принимается за вещественную ось, а q – за мнимую [3].
        Принцип управления ВД, основан на использовании датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат и силового полупроводникового преобразователя. Они совместно формируют на обмотках статора машины напряжения     таким образом, чтобы результирующий вектор напряжения     всегда был сдвинут на угол    и неподвижен относительно оси магнитного поля ротора. В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора (  ), что и создает момент на валу двигателя [4].
        Уравнение, описывающее электрическую часть вентильной машины в координатной системе d, q, вращающейся со скоростью ротора   , с учетом отсутствия роторных обмоток может быть составлено на основе 2-го закона Кирхгофа:

               (1)

где    – результирующий вектор напряжения на статорной обмотке;
          – активное сопротивление и полная индуктивность фазы статора;
          – вектор потока машины;
          – падение напряжения, обусловленное потоком рассеяния статора;
          – падение напряжения, обусловленное основным магнитным потоком машины, который создается возбуждением ротора.
        На рисунке 8 представлена упрощенная схема замещения вентильной машины, в системе координат вращающейся синхронно с ротором.

Рисунок 8 — Схема замещения фазы ВД

        Учитывая, что вектор     совпадает с направлением оси q, раскладывая в выражении (1) вектора на действующие и мнимые части по осям d, q, получаем систему уравнений:

               (2)

        Вращающий момент двигателя, учитывая совпадения направления вектора     с осью магнитного поля ротора d, можно записать следующим образом:

               (3)

       Условие механического равновесия описывается выражением:

               (4)

где     приведенный момент инерции механической системы;
        M – электромагнитный момент, развиваемый вентильным двигателем;
        Мс – момент сопротивления на валу двигателя.
        Объединяя выражения (2), (3), (4), получаем систему уравнений описывающих работу вентильной машины.
        Упростим запись уравнений, воспользовавшись оператором Лапласа, заменив –    . После преобразований можем получить:

               (5)

где     – постоянная времени двигателя.
        При построении автоматизированного электропривода на основе ВД используется принцип двухконтурного подчиненного регулирования скорости вращения. Синтез регуляторов осуществляется аналогично приводу постоянного тока.
        Изменение частоты вращения ВД достигается изменением подводимого к двигателю напряжения в режиме широтно-импульсного регулирования.
        При использовании цифровой системы управления на микроконтроллере, дискретное формирование тока статора удобнее всего выполнять с помощью организации регулятора тока, основанного на “релейном” принципе работы.
        Управление силовым ключом, реализующим алгоритм ШИР, выполняется по следующей зависимости:

               (6)

        где Uн – номинальное напряжение, подводимое к статору двигателя; iq, iqzad – соответственно реальный и заданный ток двигателя.
        На основании уравнений (5) и (6), составлена математическая модель электропривода с вентильным двигателем, структурная схема которой приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 — Структурная схема модели электропривода на основе ВД

        Воспользуемся построенной моделью.
        С использованием средств вычислительной техники на основании полученной математической модели, получены тяговые характеристики электропривода в установившемся режиме, представленные на рисунке 10.

Рисунок 10 — Тяговые характеристики ВД, полученные в результате моделирования

       Анализ характеристик показывает, что аналогичны характеристикам базового привода шахтного электровоза.
        Но следует заметить, что мощность, потребляемая двигателем Р, при изменении момента Мс, остается практически постоянной, что существенно улучшает энергетические характеристики привода.
        Осциллограммы переходного процесса, полученные в результате моделирования пуска вентильного привода, при управлении скоростью двигателя и изменении приложенного момента представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 — Переходные процессы в электроприводе при пуске и изменении момента на валу ВД полученные в результате моделирования

6. Выводы. Направление дальнейших исследований

        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.
        Построенна матеиматическая модель электропривода на основе вентильного двигателя. Она может быть использована для исследования динамических процессов в вентильном электроприводе с ШИР, для выбора и уточнения параметров регуляторов, выбора оптимальной частоты ШИР, исследования энергетических характеристик электропривода и двигателя в частности.
        В дальнейшем планируется работа над усовершенствованием системы управления электровоза на основе использования перспективного вентильного двигателя обладающего лучшими технико-экономическими показателями. Использование приведенных методов и принципов построения электропривода может значительно повысить эффективность электровозной откатки.

7. Литература

1. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. - М.: Недра, 1981. – 389 с.
2. Синчук О.Н., Беридзе Т.М., Гузов Э.С. Системы управления рудничным электровозным транспортом, - М.: Недра, 1993. - 255 с.
3. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с.
4. Казачковський М.М. Комплектні електроприводи: Навч. посібник - Дніпропетровськ.: НГУ, 2003, - 226с.
5. Алексеев Н.И. Оптимизация систем электрической тяги в подземных выработках. – М.: Недра, 1979. – 252 с.
6. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 448 с.: ил.
7. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов, - М.: Энергоатомиздат, 1992 – 544 с.

---

   ©2006 ДонНТУ Буряк Артем     •     E-mail:artemke@list.ru

---

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ
Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание