CC BY
71
© Ю.П. Сташинов, А.С. Семенчук, 2009
Ю.П. Сташинов, А.С. Семенчук
ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ШАХТНОГО АККУМУЛЯТОРНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С НЕЗАВИСИМЫМИ ОБМОТКАМИ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Рассмотрен вариант бесконтактной реализации двухдвигательного привода шахтного аккумуляторного электровоза, обеспечивающий получение рациональных тяговых характеристик путем индивидуального импульсного регулирования токов возбуждения в функции якорных токов тяговых электродвигателей.
Ключевые слова: шахтный аккумуляторный электровоз, безреостатная система управления, электропривод.
Яа отечественных шахтных аккумуляторных электровозах широкое распространение получил привод с двумя тяговыми электродвигателями последовательного возбуждения с без-реостатной системой управления скоростью движения путем секционирования аккумуляторной батареи в сочетании с последовательно-параллельным соединением двигателей и ослаблением магнитного поля. По сравнению с ранее применявшимся приводом с реостатной системой управления он имеет лучшие энергетические показатели благодаря устранению потерь энергии в пусковых реостатах, но малое количество ступеней регулирования скорости и как следствие - значительные броски тока и тягового усилия при переходе с одной позиции контроллера на другую приводят к существенному недоиспользованию сцепной массы локомотива, а также к снижению надежности и ресурса его работы [1-2].
Указанные недостатки в значительной степени устраняются при переходе к импульсным системам регулирования скорости, которые в результате комплекса научных исследований и разработок были реализованным на базе однооперационных тиристоров [2-4]. К сожалению, по ряду причин они не получили широкого практического применения [2-3].
Более перспективны системы импульсного регулирования на базе полностью управляемых полупроводниковых ключевых эле-
ментов, позволяющие повысить надежность работы привода и за счет более высокой частоты коммутации снизить пульсации тока в цепях тяговых электродвигателей [2-3].
Однако сохранение в качестве тяговых - двигателей последовательного возбуждения с необходимостью переключений в силовых цепях при реверсе снижает надежность привода и создает дополнительные трудности перехода на автоматическое управление движением шахтных поездов. Кроме того, электровоз, оборудованный двигателями последовательного возбуждения с мягкой механической характеристикой, более склонен к буксованию при повышенных нагрузках, а в зоне малых и отрицательных нагрузок развивает недопустимо большую скорость движения, что снижает безопасность работы и усложняет процесс управления электровозом [1], [5].
С этой точки зрения более предпочтительны тяговые двигатели с независимыми обмотками возбуждения, имеющие жесткие естественные механические характеристики. Однако на шахтных электровозах они не нашли применения по двум основным причинам:
- большие токовые перегрузки при повышенных сопротивлениях движению;
- возможность существенно неравномерного распределения тока между якорными цепями двигателей при их параллельном соединении.
В настоящее время, с использованием достижений силовой электроники и микропроцессорных средств управления, эти недостатки могут быть достаточно эффективно устранены разработкой систем автоматического индивидуального регулирования токов возбуждения тяговых электродвигателей с независимыми обмотками возбуждения в функции токов их якорных цепей.
Кроме того, при реверсировании двигателей переключениями в маломощных и слаботочных цепях независимых обмоток возбуждения возможна практически полностью бесконтактная реализация тягового электропривода. Принципиальная электрическая схема одного из разработанных авторами вариантов такого привода приведена на рис. 1.
Особенностью схемы является то, что обмотки возбуждения LM1 и LM2 двигателей включены в две фазы трехфазного мостово-
го инвертора на твердотельном модуле из шести транзисторов УП-УТб, зашунтированных встречными диодами
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема варианта тягового электропривода на базе тяговых двигателей с обмотками независимого возбуждения
VD1-VD6. При этом одноименные выводы обмоток возбуждения, например, их начала соединены в общую точку A.
При движении электровоза “Вперед” постоянно открыт транзистор УГ3, а посредством транзисторов УГ2, УГ6 в совокупности с диодами VD1 и VD5 осуществляется индивидуальное импульсное регулирование токов возбуждения тяговых двигателей в функции токов их якорных цепей. При движении в противоположном направлении аналогично используются транзисторы УГ4, УГ1, УГ5 и диоды УD1, УD5.
Якорные цепи электродвигателей М1 и М2 реализованы с использованием силового ЮВГ-модуля на транзисторах УГ7-УГ10 и диодах УD7-УD10, подобно тому, как это выполнено в трамваях KT4SU [6]. При такой конфигурации силовой части схемы транзисторами УГ8, УГ10 совместно с диодами УD7, УD9 обеспечивается импульсное регулирование скорости в двигательном режиме, а транзисторами УГ7, УГ9 совместно с диодами УD8, УD10 - импульсное рекуперативное торможение с отдачей энергии в тяговую батарею при остановках или снижении скорости движения.
V Нр- 6 \—'V
— _ V
Л NГ
~ 1 [1. в
V, “ _
-р 0 А Р
Рис. 2. Рациональная форма тяговых характеристик привода
Возможен вариант выполнения силовой схемы привода с использованием двухтранзисторного ^ВГ-модуля (УГ7, VD7, УГ8, VD8) при параллельном соединении якорных обмоток электродвигателей (при установке перемычки между точками В и С).
Для снижения пульсаций потребляемого электроприводом тока в цепь питания при необходимости может быть введен сглаживающий L-C фильтр.
Сигналы на включение и выключение ключевых элементов поступают от микропроцессорного устройства управления, на вход которого поступает информация от датчиков тока якорных цепей и датчиков G1, G2 частоты вращения электродвигателей. При этом введением искусственной задержки в программу управления либо использованием инерционности обмоток возбуждения необходимо блокировать работу системы выравнивания якорных токов при кратковременных нарушениях их равенства, вызванных процессами пробуксовок при нарушении сцепления колес с рельсами.
Предложенный электропривод позволяет получить практически любые требуемые тяговые характеристики, например, аналогичные приведенным на рис. 2. [7].
Сплошной линией ABCDEGHIJ0 на рисунке изображена предельная зависимость скорости движения V от тягового (тормозного) усилия F, а пунктирными линиями - участки промежуточных характеристик для фиксированных средних значений напряжений
на зажимах якорных обмоток и обмоток возбуждения. Отрезок ABC соответствуют разгону электровоза с постоянным средним значением тягового усилия, предельно допустимым по условию сцепления колес с рельсами при номинальном (или форсированном на участке BC) возбуждении тяговых двигателей. Линия CDI - это естественная характеристика при номинальном возбуждении и полном напряжении питания якорных цепей. Гиперболический участок DE соответствует постоянству мощности (стабилизации тока), участок EG - ограничению скорости движения в тяговом режиме, GHIJ0 - ограничению области тормозных режимов.
Промежуточные характеристики, расположенные ниже линии CDI, реализуются импульсным регулированием напряжения питания якорных цепей электродвигателей при номинальном возбуждении, а расположенные выше - ослаблением поля при полном напряжении на зажимах якорных обмоток.
Работа привода в зоне повышенных нагрузок на жестких характеристиках с автоматическим ограничением максимальной величины тягового усилия повышает противобуксовочные свойства электровоза и позволяет реализовать более высокие значения коэффициента сцепления, что подтверждено многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями [5].
Аналогичный вариант тягового привода можно получить при питании обмоток возбуждения двигателей последовательного возбуждения от управляемых DC/DC преобразователей, что позволяет с минимальными затратами оснастить им аккумуляторные электровозы, находящиеся в эксплуатации на предприятиях угольной промышленности.
Работоспособность предложенного варианта привода предварительно проверена компьютерным моделированием в среде Matlab [7]. Разрабатывается экспериментальный стенд для исследования режимов работы привода на физической модели.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беловидов, Б.С. Анализ различных типов приводов для рудничных автоматизированных электровозов / Б. С. Беловидов [и др.]. // Исследование работы и автоматизация горных машин: тр. Новочеркасского политехнического института. - Новочеркасск: 1964. - Т. 159. - С. 31-38.
2. Довженко В.П. Транзисторные модули для управления приводом рудничных электровозов / В. П. Довженко [и др.]. //Уголь Украины. - 2003. - № 10.-С. 16-18.
3. Евстафенко П.Ф. Перспективы развития электрооборудования для рудничного электровозного транспорта / П.Ф. Евстафенко [и др.]. //Уголь Украины. -2003. -№ 10. - С. 22-23.
4. Системы управления рудничным электровозным транспортом / О. Н. Синчук [и др.]. - М.: Недра, 1993.
5. Фаминский Г.В. Эффективность использования локомотивов с жесткими тяговыми характеристиками / Г. В. Фаминский // Вестник ВНИИЖТ. -1996. - № 6. - С. 26-29.
6. Лаугис Ю. Состояние и тенденции развития электротранспорта Эстонии / Ю. Лаугис [и др.]. // Тр. III Международной (XIV Всероссийской) науч.-тех. конф. по автоматизированному электроприводу “АЭП-2001” (Нижний Новгород 12-14 сентября 2001). - Нижний Новгород: Изд-во Вектор-Тис. -2001. - С. 243245.
7. Семенчук А.С. Моделирование тягового привода на базе двигателей независимого возбуждения с регулированием магнитного потока в функции тока якоря / А. С. Семенчук, Ю. П. Сташинов // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ “Набла” ЮРГТУ (НПИ). -2007. - С. 200-206. ЕШ
J.P. Stashinov, A.S. Semenchuk
TRACTIVE DRIVE OF THE MINE STORAGE-BATTERY LOCOMOTIVE ON THE BASIS OF ENGINES WITH INDEPENDENT ENERGIZING COILS
The variant of contactless realization of a twin-engined drive of the mine storage-battery locomotive, providing reception of rational traction characteristics by individual pulse exciting currents regulation as anchor currents of tractive electric motors is considered.
Key words: mine storage-battery locomotive, rheostat-free control system, electric drive.
___ Коротко об авторах ____________________________________________
Сташинов Ю.П. - кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры “Электрификация и автоматизация производства” Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Шахты, siurgtu@ siurgtu.ru
Семенчук А.С. - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск, [email protected]
