В настоящее время шахтные электровозы оснащаются электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением. Эти двигатели, 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.

Одна из альтернатив – это построение электропривода на базе вентильного двигателя (ВД), имеющего некоторую схожесть механических характеристик и лишенного недостатков двигателя постоянного тока из-за отсутствия коллекторного узла. В связи с этим актуальны две взаимосвязанные задачи: исследование процессов и научное обоснование параметров ВД с автономным инвертором для условий шахтного электровоза, а также обоснование структуры электропривода с системой автоматического управления.

Первая задача решается путем применения в структуре вентильного электропривода синхронной машины с постоянными магнитами, системы автоматического управления с трапецеидальным законом управления.

Перспективным вариантом построения тягового электропривода является применение безколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ) - магнитоэлектрической синхронной машины с трапецеидальным распределением магнитного поля с использованием датчика положения ротора (ДПР) и полупроводникового коммутатора (КП) (рис. 1). В данном случае на выходе КП и соответственно на обмотках синхронной машины формируется прямоугольное напряжение.

Рисунок 1 – Функциональная модель БДПТ.

Регулирование частоты вращения и вращающегося момента двигателя осуществляется посредством управления средним током на автономном инверторе с использованием широтно-импульсной модуляция (ШИМ).

Система управления базируется на применении инвертора (UZ), построенного на IGBT-транзисторах, не только для переключения фаз, а и для широтно-импульсной модуляции напряжения, поданного на статор. При этом инвертор работает в режиме автономного инвертора напряжения и имеет обратные диоды (рис. 2).

Рисунок 2 – Принципиальная схема АИН тягового электропривода.

Для обеспечения необходимых динамических и статических характеристик электропривод построен по принципу системы подчиненного регулирования [1], по аналогии с двигателем постоянного тока.

Необходимые тяговые характеристики обеспечиваются путем введения в систему управления блока ограничения тока, отрабатывающего определенный алгоритм. По результатам проведенных исследований полученные характеристики вентильного привода, отвечают необходимым условиям работы тягового привода, при изменении нагрузки на двигатель потребление энергии остается практически постоянным, что подтверждает возможность использования ВД в системе привода шахтного электровоза в условиях ограниченности электроемкости аккумуляторной батареи [1].

Учитывая требования к системе управления, рассмотренные выше [1], целесообразно реализовать ее на базе микропроцессорной техники. Примерная структурная схема системы управления тяговым вентильным приводом приведена на рисунке 3. В ней используется микроконтроллер с ШИМ-функциями (AT90PWM3). На рисунке сигналы управления с пульта управления электровозом машиниста (ПУЭМ) поступают на порты микроконтроллера (МК). На МК с датчика тока (ДТ) и датчика положения ротора (ДПР) поступает информация, которая программно обрабатывается и в соответствии с сигналами управления вырабатываются управляющие сигналы на драйверы силовых ключей инвертора (ДСК) и драйвер устройства торможения (ДУТ). На схеме АБ – аккумуляторная батарея, СМ – синхронная машина, АИН – автономный инвертор напряжения, СКДТ – силовой ключ и сопротивление динамического тормоза.

Рисунок 3 – Структурная схема системы управления тяговым вентильным приводом.

Таким образом, вентильный двигатель становится реальной альтернативой ДПТ. Кроме того его система управления с небольшими изменениями сходна с системой управления ДПТ. Рассмотренная структура вентильного привода с системой автоматического управления является перспективной, лишена недостатков исходного электропривода, кроме того уменьшается момент инерции ротора, нет необходимости в сложной системе охлаждения, в виду отсутствия нагреваемых током роторных обмоток. Но необходимо отметить, что применение АИН вносит вопрос о способах охлаждения силовых ключей.

Дальнейшие исследования в данной области должны касаться конструктивной разработки силового электропривода с автоматической системой управления на современной базе силовых полупроводниковых элементов и микропроцессорной техники.

Библиографические ссылки
1. Максимчук Н. И., Ставицкий В. Н. Исследование вентильного электропривода шахтного аккумуляторного электровоза// материалы XI Международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2010». - Донецк, 17 – 19 марта 2010 г. – Ухта: УГТУ, 2010.
2. Казачковский М. М. Комплектні електроприводи: Навч. Посібник / М. М. Казачковский. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2003. – 226 с.