Аннотация
Гладченко П.Е., Исследование и разработка автоматизированного тягового электропривода шахтного электровоза на основе использования бесколлекторного электродвигателя В работе рассказывается о применении вентельных двигателей в шахтных локомотивах.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Электропривод широко применяется во всех отраслях народного хозяйства и является одним из основных потребителей и преобразователей энергии. Технико-экономические показатели машин и установок в первую очередь зависят от эффективности их электропривода. 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.
Постановка задачи.
Локомотивный транспорт является основным средством доставки грузов в горизонтальных выработках угольных шахт. Относительная простота регулирования скорости и поддержания достаточного тягового усилия обусловили применение на рудничных электровозах в качестве приводных электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТПВ). Однако длительный опыт эксплуатации выявил ряд недостатков, существенно снижающих эффективность электропривода постоянного тока шахтных электровозов. К их числу относятся низкие ресурс и надежность коллекторного узла, якорных и полюсных обмоток двигателей, повышенная трудоемкость их обслуживания. Простои локомотивов, обусловленные частыми отказами их приводных двигателей и необходимостью проведения ремонтных и профилактических мероприятий, снижают эффективность технологического процесса транспортирования горной массы. Рассмотренные обстоятельства обусловливают необходимость поиска альтернативных решений в области создания средств регулируемого электропривода аккумуляторных и контактных электровозов, применяемых в угольной промышленности. В свете сказанного весьма приемлемой представляется перспектива применения в качестве приводных вентильных двигателей (ВД), отличающихся высокими показателями надежности, простотой устройства, эксплуатации, относительной дешевизной. Все это свидетельствует об актуальности научного обоснования специальной схемы силового инвертора, отличающейся возможностью согласования параметров источника питания и приводного вентильного двигателя.
Изложение материала и результаты.
Анализ работ по совершенствованию электропривода шахтных электровозов
Широкое применение ДПТПВ 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, 1]. При этом последний способ является более приемлемым. 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.
Один из первых аккумуляторных электровозов, оснащенный импульсной системой регулирования скорости, был создан в Польше в 1968 г. [8]. Он представлял собой четырехтонный локомотив с двумя тяговыми двигателями мощностью по 5,5 кВт, питание которых осуществлялось от преобразователя по схеме рис. 2.1.
Рисунок 1.1 - Импульсный регулятор постоянного напряжения
Основным недостатком привода с преобразователем, выполненным по данной схеме, является значительная потеря мощности, обусловленная пульсирующей формой тока и наличием в питающем напряжении высших гармонических составляющих. Помимо снижения КПД это приводит к появлению вибрации, шума, увеличению искрения на коллекторе, перегреву двигателя.
В 1968 г. в Днепропетровском институте инженеров железнодорожного транспорта был разработан импульсный привод для промышленного контактно-аккумуляторного электровоза [9]. Система регулирования скорости предтавляла собой два преобразователя, выполненные по схеме рис. 1.1, работающие со сдвигом по фазе на полпериода. Ее испытания показали существенное улучшение энергетических характеристик привода. Аналогичные результаты были получены в Рижском филиале ВНИИ вагоностроения для пригородного электропоезда [10], а также в ФРГ - при испытаниях промышленного контактного электровоза. В приводах этих локомотивов использовались двухтактные преобразователи.
В настоящее время рудничные электровозы с тиристорным управлением нашли широкое применение на шахтах. Примером может служить отечественный локомотив АРП-14, а также электровозы Lea-BM-12/TB (аккумуляторный), Lep-18/T2 (контактный), производимые в Польше .
Другим направлением повышения эффективности и безопасности эксплуатации подземных электровозов стало применение бесконтактного способа передачи электроэнергии из тяговой сети. В результате работ, проведенных в Днепропетровском горном институте под руководством д.т.н. Пивняка Г.Г. [13], был создан высокочастотный электровоз В14-900. Отличительной особенностью данного локомотива является использование в качестве питающего напряжения высокой частоты (5 кГц), что позволяет осуществлять передачу энергии за счет электромагнитной индукции между изолированным контактным проводом и токоприемником, решая тем самым задачу обеспечения искро- и взрывобезопасности. Привод электровоза В14-900 состоит из двигателей постоянного тока и управляемого выпрямителя.
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 этом отношении лучшими показателями обладают двигатели переменного тока, а также вентильные двигатели.
Обоснования возможности применения вентильных двигателей
Устройство и принцип действия вентильных двигателей
Вентильные двигатели (ВД) по своему устройству представляют сочетание синхронной машины (СМ), датчика положения ротора (ДПР), закрепленного на валу СМ, и электронного коммутатора (ЭК), выполняющего роль коллектора машины постоянного тока . Имеются конструкции ВД с встроенным ЭК, у некоторых ВД этот ЭК представляет собой отдельный блок вне машины (так называемый внешний ЭК). СМ, входящая в состав ВД, имеет 2-3 или 4 фазных обмотки на статоре (у ВД этот статор называется якорем) и постоянные магниты на роторе . Эти постоянные магниты изготавливаются из редкоземельных элементов, имеющих очень большую коэрцетивную силу (до), то есть напряженность магнитного поля.
Параметры моментных ВД (Мн, Jд, ?н) позволяют устанавливать эти двигатели непосредственно на вал рабочей машины без редуктора.
Благодаря замене электромагнитного возбуждения на возбуждение постоянными магнитами была исключена обмотка возбуждения, а вместе с ней и потери на возбуждение, рассеиваемые в двигателе, что снизило общий нагрев двигателя и создало возможность увеличения тока, а следовательно и момента двигателя при тех же его размерах.
Этой же цели (увеличению тока и момента) способствовало применение в моментных ВД для обмотки статора (якоря) изоляционных материалов с высокой нагревостойкостью.
При установке достаточно мощных постоянных магнитов с незначительным размагничиванием обеспечивается независимость потока возбуждения от тока якоря (статора), то есть практическое отсутствие реакции якоря (статора). Это дает возможность получить 10-ти и даже 20-ти кратные моменты двигателя при низких скоростях вращения, а также высокое быстродействие привода (из-за большого коэффициента динамичности) даже при большом собственном моменте инерции двигателя. В качестве магнитных материалов для возбуждения высокомоментных ВД широко применяют спекаемые металлокерамические магниты с добавлением бария и стронция. Реже используются сплавные магниты из сплава АЛНИКО (Al, Ni, Co) или магниты с добавлением редкоземельных элементов (кобальт, самарий).
Вывод
Данная работа рассматривает основную проблему привода с использованием ДПТПВ, заключающуюся в дороговизне и ненадежности таких двигателей. Так же рассмотрен ряд разработок, пытающихся эту проблему решить. Тем не менее она остается актуальной, и предлагаетьсяиспользованиевентильних двигателей в качестве приводних, как альтернатива ДПТВ, в то же время свободных от перечисленнях выше недостатков. В дальнейшем предполагаеться разработка специальной схемы силового инвертора, отличающейся возможностью согласования параметров источника питания и приводного вентильного двигателя.
Список источников
1. Синчук О.Н., Беридзе Т.М., Гузов Э.С. Системы управлениярудничным электровозным транспортом, - М.: Недра, 1993. - 255 с.
2. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Энергия, 1974. - 328 с.
3. Маренич К.Н., Ставицкий В.Н. Актуальные вопросы эксплуатации шахтных аккумуляторных электровозов. // Уголь Украины, 1999, №6. - с. 25.
4. Маренич К.Н., Ставицкий В.Н., Ешан Р.В. Применение тиристорного триггера в качестве инвертора преобразователя частоты. / В сб. Наука-практика, вып. 3, - Донецк: ДонГТУ, 1998. - с. 247-249.