CC BY
102
составить: высота подъема горной массы - 500-600 м и длина транспортирования - до 10 км.
2. Реализация организационных и технических мероприятий с учетом совершенствования конструкций карьерных автосамосвалов позволяет обеспечить не ухудшение их технико-эксплуатационных показателей в динамике развития карьеров в экстремальных условиях эксплуатации.
3. За счет технического прогресса при конструировании и изготовлении карьерных автосамосвалов и внедрения новых технологий при их эксплуатации и ремонте обеспечивается повышение конкурентоспособности систем карьерного авто-транспорта по сравнению с альтернативными при отработке ограниченных в плане глубоких карьеров.
4. Повышение эффективности отрабатываемых месторождений и вовлечение в отработку новых (с низким содержанием алмазов) возможно за счет применения транспортных средств с иными конструктивными решениями способными преодолевать повышенные продольные уклоны (более 160 %о). гттш
— Коротко об авторе -
Зырянов И.В. - д.т.н., Якутнипроалмаз АК "АЛРОСА".
-© л.Н. Макаров, Ю.А. Слфропщков,
С.Н. Флоренцев, 2008
УДК 622.001.89:622.68
Л.Н. Макаров, Ю.А. Сафроненков, С.Н. Флоренцев
КОМПЛЕКТ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ
ПЕРЕМЕННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА САМОСВАЛА
ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬЮ 240 т
~П большегрузных карьерных самосвалах грузоподъемно-А^стью более 100 т в подавляющем большинстве применяется электромеханическая трансмиссия. По сравнению с механической (гидромеханической) трансмиссией электрическая передача обеспечивает меньшие эксплуатационные затраты из-за исключе-
87
ния узлов, подвергающихся износу - преобразователи момента, приводные валы, трансмиссии, дифференциалы, а также большую производительность при перевозках грузов в условиях открытых карьеров. В электрическом приводе не требуется механических передач. Установление необходимого крутящего момента и скорости на ведущих колесах самосвала осуществляется изменением мощности от дизель-ге-нератора, а также регулированием тока, напряжения (и частоты), подаваемого на тяговые двигатели. Система электрического привода также обеспечивает электрическое торможение, уменьшая износ основных тормозов карьерного самосвала.
В зависимости от типа генератора (переменного или постоянного тока) и типа тяговых двигателей различают два основных типа электрической трансмиссии, применяемой в настоящее время на большегрузных карьерных самосвалах (землевозах):
- переменно-постоянного тока;
- переменно-переменного тока.
В настоящее время до 70 % большегрузных самосвалов в мире используют электрическую трансмиссию переменно-постоянного тока. В номенклатуре Белорусского автомобильного завода (РУПП «БелАЗ», г. Жодино, Республика Беларусь) все самосвалы грузоподъемностью 120-220 т (серии 7513 и 7530) имеют только трансмиссию переменно-постоянного тока. Обладая высокой надежностью, относительно низкой ценой доля таких самосвалов производства РУПП «БелАЗ» на мировом рынке достигает 50 %. Однако в условиях работы с большими и протяженными уклонами и длинными горизонтальными участками самосвалы с трансмиссией переменно-постоянного тока уже не удовлетворяют современным требованиям эксплуатации. Их скорость ограничена 45 км/час (требуется 65 км/час). Необходимость частого обслуживания (щетки, коллекторы двигателей постоянного тока, контакторы) увеличивает эксплуатационные затраты и снижает эффективность использования самосвалов в карьерах.
Для РУПП «БелАЗ» были разработаны две системы тягового электропривода переменного тока:
- на базе тяговых вентильных двигателей с постоянными магнитами мощностью по 500 кВт с преобразователями на IGBT модулях прижимной конструкции (Press Pack IGBT Toshiba Semiconductors) с жидкостным охлаждением преобразователей и двигателей;
88
- на базе асинхронных тяговых двигателей с IGBT инверторами и чопперами для самосвала грузоподъемностью 136 т.
Последняя разработка, выполненная ОАО «Электросила», успешно прошла полигонные испытания на РУПП «БелАЗ».
Второй тип самосвала серии 7560 производства БелАЗ, грузоподъемностью 320 т, имеющий электрическую трансмиссию переменно-переменного тока, имеет тяговый генератор переменного тока мощностью 2536 кВт и встроенными выпрямителями фирмы Kato, два асинхронных тяговых электродвигателя фирмы Siemens мощностью по 1200 кВт с редукторами мотор - колес, питаемыми от преобразователей частоты. Преобразователи частоты фирмы Siemens выполнены на GTO-тиристорах по схеме трехфазного мостового инвертора напряжения. Также на GTO-тиристорах выполнены тормозные чопперы, обеспечивающие регулируемое рассеивание энергии на принудительно охлаждаемых тормозных резисторах мощностью 3650 кВт при работе тяговых асинхронных двигателей в генераторном режиме. Блок-схема такой электрической трансмиссии переменно-переменного тока приведена на рис. 1.
Кроме фирмы Siemens Energy & Automation, Inc., пожалуй, единственным производителем в мире комплектного тягового электропривода переменного тока для большегрузных карьерных самосвалов является фирма General Electric Transportation.
GE производит также комплектные тяговые электропривода постоянного тока Statex IIIe для самосвалов грузоподъемностью 109-217 т, имеющих мощность дизельной установки 1200-2500 л.с. соответственно. Блок-схема такого электропривода, идентичная электро-приводу постоянного тока самосвалов грузоподъемностью 120-220 т, производства РУПП «БелАЗ», приведена на рис. 2.
По оценкам специалистов GE доля ежегодно производимых самосвалов с приводом постоянного тока с 70 % уже к следующему году может уменьшиться до 50 % с соответствующим увеличением до 50 % доли самосвалов с приводом переменного тока. Самосвалы грузоподъемностью более 240 т могут производиться только с приводом переменного тока в силу ограничений по мощности, отводимому теплу и максимальной скорости коллекторных двигателей постоянного тока.
Применение привода переменного тока еще больше снижает стоимость эксплуатационных затрат, повышает эффективность работы за счет преодоления больших уклонов подъемов и обеспече-
89
ния большей максимальной скорости самосвала 64 км/час (снижение времени рабочего цикла), обеспечивает больший диапазон электродинамического торможения (до полной остановки груженого самосвала на склоне). Современные системы векторного управления моментом и скоростью тяговых асинхронных двигателей обеспечивают плавный разгон и торможение, страгивание и движение с постоянной скоростью на подъеме и спуске, защиты от пробуксовки и юза, защиты от перегрева. Причем, если ранее экономически целесообразным, а зачастую и единственно возможным, было применение привода переменного тока для самосвалов грузоподъемностью более 240 тонн, то в настоящее время с развитием элементной базы силовой и информационной электроники становится экономически целесообразным и оправданным применение электроприводов переменного тока для самосвалов грузоподъемностью 180-220 т и даже грузоподъемностью 120-160 т.
Фирма General Electric Transportation производит четыре типа комплектного тягового электрооборудования переменного тока для карьерных самосвалов с электрической трансмиссией переменно-переменного тока. Их основные характеристики приведены в табл. 1.
90
Рис. 1
Рис. 2
Таблица 1
Тип электро-привода СЕ150АСТМ СЕ240АСТМ СЕ320АСТМ СЕ360АСТМ
Грузоподъемность (метрических т) 136 217 290 326
Мощность дизеля, л.с. 1800 2700 2700/3500 3500
Генератор 0ТА22 0ТА41 0ТА41 ОТА39
Мотор-колесо 0ББ23 0ББ25 0БУ106 0БУ108
Передаточное отношение 28,8:1 31,875:1 32,6:1 32,62:1
Тип силового преобразователя 17К0527 17К0531 17К0526Б 17К0532
для 2700 л.с.
17К0526С
для 3500 л.с.
Тип силовых полупроводниковых приборов 10БТ ЮБТ ОТО 10БТ
Система управления ОБ ТпуеЛехТМАС
Рис. 3
Первый привод переменного тока GE320AC™ фирма General Electric Transportation анонсировала в 1996 году для применения в карьерных самосвалах наибольшей на то время грузоподъемности 290 т.
В 2000 году фирма GE анонсировала систему электропривода GE150AC™ для применения в самосвалах грузоподъемностью 150 т (136 метрических т) с дизельной установкой мощностью до 1800 л.с. Укрупненная схема такой системы представлена на рис. 3.
Инверторы и чопперы выполнены на IGBT силовых модулях с принудительным испарительным охлаждением и имеют наивысшие массо-габаритные и надежностные показатели в этом классе. Микропроцессорная система управления GE InvertexTMAC обеспечивает защиты от проскальзывания и юза, страгивание и плавный разгон, стабилизацию скорости на подъемах и спусках, защиту от перегрева, электродинамическое торможение (до полной остановки на спуске). Применение этой системы привода на карьерных самосвалах взамен соответствующего привода постоянного тока позволяет:
- на 20 % увеличить тяговое усилие груженного самосвала общим весом 250 т, обеспечив тем самым скорость 12,55 км/час на подъеме 12 % (при максимальной скорости такого же самосвала с приводом постоянного тока только 9,8 км/час);
- на 15 % увеличить тормозное усилие груженного самосвала общим весом 250 т, обеспечив тем самым скорость 26,4 км/час на спуске 12 % (при скорости 30,1 км/час такого же самосвала с приводом постоянного тока);
- повысить максимальную скорость груженого самосвала общим весом 250 т до 65 км/час (взамен 45 км/час у самосвала с приводом постоянного тока).
Все это позволяет повысить производительность самосвала с приводом переменного тока, снижает стоимость жизненного цикла, уменьшая стоимость одного тонно-километра перевозок.
В 2002 году GE разработала систему GE240AC™ привода переменного тока на IGBT для самосвалов грузоподъемностью 240 т (217 метрических т) с общим весом до 389 т и мощностью дизельной установки до 2700 л.с. (1985 кВт). GE разработаны также системы привода переменного тока GE360AC™ для самосвалов класса 320 т, ведутся разработки новых систем для самосвалов класса 360 и более т.
93
Таблица 2
Конструктивные параметры самосвала
Наименование параметра Величина
1 Максимальная масса груженого самосвала Ош, т 400
2 Максимальная мощность дизель-генераторной установки, отдаваемая на тягу, Р(1, кВт 1550
3 Передаточное число редуктора ^р 27,5
4 Радиус качения колеса Кк, м 1,652
5 Максимальная мощность тормозных резисторов, кВт 2х1200*
* - по результатам предварительных расчётов требуемых тормозных свойств
Таблица 3 Требуемые динамические качества
Наименование параметра Величина
1 Максимальный динамический фактор Б, %, не менее 20
2 Скорость движения в тяговом режиме на уклоне 10%, км/ч, не менее 10
3 Максимальная скорость Vm самосвала, км/ч 65
4 Скорость движения в тормозном режиме на уклоне 10%, км/ч, не менее 30
Концерн «РУСЭЛПРОМ» по техническому заданию, согласованному и утвержденному РУПП «БелАЗ» ведет разработку комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) электрической трансмиссии переменно-переменного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями для самосвалов грузоподъемностью 240 т, включая разработку и изготовление опытных образцов генератора с встроенными выпрямителями, тяговых асинхронных двигателей, преобразователей частоты с микропроцессорным управлением и контроллера верхнего уровня.
Исходные данные, заданные для проектирования КТЭО приведены в табл. 2 и 3.
По этим данным был произведен расчёт тягового режима.
При известных значениях Р^ пр, пид и Ош зависимость динамического фактора Б самосвала от скорости V в тяговом режиме определяется выражением: В = 3,6Рё- г/ид- гр/(От^У)
94
При известном значении относительного сопротивления движению Г величина уклона 1, на котором самосвал будет двигаться с установившейся скоростью, равна: 1 = Б - Г
Результаты расчёта зависимостей Б, Г и 1 от скорости движения в диапазоне (0 - 65) км/ч приведены в табл. 4. Кроме того, в табл. 4 приведены также значения момента М на валу электродвигателя и его частоты вращения п (необходимые для разработки технических требований к электродвигателю), а также силы тяги на колёсах самосвала, которые рассчитаны по формулам: М = Б-Ик-С!т-§-1000 /(2цр-пр); п = У-1000- цр/(2л-Кк-60); Б = Ют.
Тяговая характеристика самосвала, соответствующая представленной выше динамической характеристике, и линейные зависимости требуемых значений силы тяги от загруженности самосвала при различных значениях уклона продольного профиля дороги представлены на рис. 4.
Расчёт тормозного режима
При известных значениях РЯТ, пр, ПВД и От зависимость динамического фактора Б самосвала от скорости У в тормозном режиме определяется выражением: В = 3,6РЯТ/(пид пр От^ У)
При известном значении относительного сопротивления движению Г величина уклона 1, на котором самосвал будет двигаться с установившейся скоростью, равна: 1 = Б + Г
Результаты расчёта зависимостей Б, Г и 1 от скорости движения в диапазоне (0-65) км/ч приведены в табл. 5. Кроме того, в табл. 5 приведены также значения момента М на валу электродвигателя и его частоты вращения п (необходимые для разработки технических требований к электродвигателю), рассчитанные по формулам:
М = Б-Кк-0т^-1000'пр/(2цр) п = У-1000- цр/(2л-Кк-60); В = Ют.
Тормозная характеристика самосвала, соответствующая представленной выше динамической характеристике в режиме торможения, и линейные зависимости требуемых значений тормозной
95
силы от загруженности самосвала при различных значениях уклона продольного профиля дороги представлены на рис. 5.
96
о? Таблица 4
Rk, м 1,652 1,652
m_p 27,5 27,5
Gm, т 400 400
Pd, кВт 300 1400
V, км/ч 0 5,5
крс!_и-д 0 0,9
f, o.e. 0,015 0,01505
kpd_red 0,9 0,9
D, o.e. 0,23 0,18935
i, o.e. 0,215 0,17430
n, об/мин 0 242,988
M, HM 30120,5 24797,1
Fcb,t 86 69,7203
Fn,t 92 75,7403
1,652 1,652 1,652 1,652 1,652
27,5 27,5 27,5 27,5 27,5
400 400 400 400 400
1550 1550 1550 1550 1550
6,2 10 20 40 55
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,01506 0,01516 0,01566 0,01764 0,01999
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,18597 0,11530 0,05765 0,02882 0,02096
0,17091 0,10014 0,04199 0,01118 0,00097
273,914 441,797 883,595 1767,19 2429,88
24354,3 15099,6 7549,83 3774,91 2745,39
68,3624 40,0544 16,7962 4,47410 0,38903
74,3878 46,1204 23,0602 11,5301 8,38553
100 95
G 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Скорость движения, км/ч, (масса/10], т
Рис. 4
Fcb
-ф- 2%
— 4%
—- 6%
— 8%
10%
—^ 12%
- 14%
— 16%
— 18%
— 20%
-- Fn
оо Таблица 5
PRT, кВт 550 1800 2200 2400
V, км/ч 3 10 13 15
крс!_ид 0,9 0,9 0,9 0,9
f, o.e. 0,015 0,0152 0,0153 0,0154
kpd_red 0,9 0,9 0,9 0,9
D, o.e. 0,2068 0,2031 0,1909 0,1805
i, o.e. 0,2218 0,2182 0,2062 0,1959
n, об/мин 120,7 402,33 523,03 603,5
M, HM 24211 23771 22349 21130
В, т 89,18 87,729 82,891 78,742
2400 2400 2400 2400 2400
20 30 40 50 65
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,0157 0,0165 0,0176 0,0191 0,022
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
0,1354 0,0903 0,0677 0,0542 0,0417
0,151 0,1067 0,0853 0,0733 0,0636
804,66 1207 1609,3 2011,7 2615,2
15847 10565 7923,7 6339 4876,1
60,717 42,908 34,302 29,457 25,578
Таблица 6
Режим работы п, об/мин м, кН Частота питающего напряжения*, Гц Длительность режима, с
Пусковой 0 30,12 ~ 0 (&к) 5
Выход на режим полной мощности 273 24,35 28 30
Номинальный режим 441 15,1 45,2 3600
Vmax 2870 2,69 280 не регламентирована
Точка тормозного режима 1207 10,6 120 1200
* - при числе полюсов 2р=12
Зависимости моментов на валу тягового двигателя самосвала г.п. 240 т в тяговом и тормозном режимах от частоты вращения
35000 т-------------
30000
о -I--------------
О 200 400 600 300 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2300 ■1-эстоа вращения, оСШин
Рис. 6
На основании выполненных расчётов были определены основные требования по выходным параметрам (частота вращения п и момент М на выходном валу) тяговых электродвигателей мощностью 700 кВт для самосвала г.п. 240 т, которые приведены в табл. 6 и на рис. 6.
При проектировании силовых схем преобразователей для определения требований к пассивным и активным элементам была разра-
100
ботана в среде MathLab/Simulink + PLECS математическая модель одного канала (привода на одно колесо). Моделированием процессов в тяговом и тормозном режимах были уточнены требования к параметрам выпрямителей, емкости на шине постоянного тока, тормозному чопперу и тормозному резистору, ключам IGBT-инвертора напряжения, всем датчикам тока и напряжения. На рис. 7 приведена упрощенная схема разработанного комплекта тягового электрооборудования самосвала с электрической трансмиссией переменно-переменного тока.
Тяговый генератор (ТГ) соединен с валом дизеля и управляется системой возбуждения тягового генератора (СВТГ) от контроллера (КСВТГ). Силовые преобразователи и системы управления и регулирования расположены в шкафу силовых преобразователей и систем управления (ШПСУ), имеющих два канала для каждого борта (колеса). В правом по борту канале расположен инвертор напряжения на силовых IGBT- модулях прижимной конструкции с интеллектуальными драйверами управления (Др-в), контроллеры силового преобразователя КСП1) и КСВТГ, (чоппер электродинамического тормоза на IGBT-модуле прижимной конструкции и быстровосстанавли-вающемся диоде. Сам тормозной резистор с принудительным воздушным охлаждением находится в отдельном конструктиве (УВТР).
В левом по борту канале ШПСУ также расположены инвертор и чоппер, контроллер КСП2. Контроллер верхнего уровня (КВУ), связанный с органами управления кабины водителя, а также по CAN каналу с КСП1, КСП» и КСВТГ, контроллером дизеля, кабиной водителя, устройством весоизмерения самосвала, расположен в кабине самосвала.
Система охлаждения силовых ключей преобразователей -комбинированная. Внутри боксов она жидкостная, радиаторы которой используют существующую воздушную принудительную систему охлаждения самосвала, как и охлаждение синхронного тягового генератора с выпрямителями и тяговых асинхронных двигателей, расположенных в задних колесах и соединенных с редукторами колес и гидромеханическими тормозами.
В настоящее время на ОАО «СЭЗ» ведется доработка выпускаемого и поставляемого на РУПП «БелАЗ» синхронного генератора СГТ-1440 до единого с встроенными выпрямителями конструктива с максимальной мощностью 1550 кВт. Закончено проектирование и со-
101
гласование с РУПП «БелАЗ» тяговых асинхронных двигателей ТАД-700, ведется их изготовление.
102
Рис. 7. Структурная схема комплекта тягового электрооборудования
ООО «Русэлпром - Электропривод» закончено проектирование всего преобразовательного оборудования для КТЭО БелАЗ-2400: шкафа силовых преобразователей и систем управления, контроллеров силовых преобразователей, системы возбуждения тягового генератора, контроллера верхнего уровня; ведется их сборка и отладка программного обеспечения.
На ноябрь этого года запланировано проведение стендовых испытаний всего комплекта тягового электрооборудования на испытательной базе ОАО «СЭЗ».
В докладе излагаются конструктивные решения, принятые при конструировании ТАД, ШПСУ, алгоритмы и программы управления ТГ, ТАД и КВУ. ЕШ
Коротко об авторах
Макаров Л.Н. - д.т.н., Сафроненков Ю.А. - д.т.н., Флоренцев С.Н. - д.т.н., ООО «РУСЭЛПРОМ».
д
105
