Асинхронный частотно-регулируемый привод шахтного электровоза с автоматическим выравниванием нагрузок тяговых двигателей
На правах рукописи
ВОЛКОВ Дмитрий Владимирович АСИНХРОННЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВЫРАВНИВАНИЕМ НАГРУЗОК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный техниче ский университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент СТАШИНОВ Юрий Павлович
Официальные оппоненты: доктор технический наук, профессор ЩЕРБАКОВ Виктор Гаврилович кандидат технических наук, доцент ТЕПТИКОВ Николай Романович
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»)
Защита состоится 23 декабря в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 при государственном образовательном учреждении высшего профес сионального образования «Южно-Российский государственный технический уни верситет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпу са по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвещения, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного об разовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно Российский государственный технический университет (Новочеркасский поли технический институт)». Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru.
Автореферат разослан «18» ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета П. Г. Колпахчьян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современный уровень развития электронной техни ки открывает перспективы получения новых качеств существующих объектов: по вышения надежности и экономичности функционирования, удобства и безопасно сти эксплуатации. Так, широкое распространение полупроводниковой преобразо вательной техники позволило применить бесконтактные электродвигатели, в част ности, асинхронные, в областях, где ранее их применение считалось невозможным либо неоправданным. Одной из них является тяговый привод транспортных средств, где асинхронный привод обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным приводом с коллекторной машиной: отсутствие коллекторно щеточного узла, более высокая надежность и простота асинхронного двигателя, отсутствие ограничений по коммутации. Применительно к шахтному электровозу, асинхронный двигатель имеет также такое преимущество, как отсутствие нор мально искрящих частей. Рельсовый транспорт продолжает оставаться одним из основных на угольных шахтах, причем большая часть эксплуатируемых локомо тивов являются аккумуляторными электровозами.
Существует ряд работ, посвященных вопросам применения асинхронного привода для целей тяги. В них рассматривается тяговый привод магистральных и промышленных электровозов, городского транспорта и ряда других транспортных средств. В то же время, шахтные электровозы имеют ряд особенностей, наличие которых не позволяет непосредственно перенести на них предложенные решения.
Среди указанных особенностей можно назвать: сосредоточенность всех средств торможения поезда на локомотиве, питание от источника с ограниченным запасом энергии (аккумуляторной батареи), специфические условия сцепления ведущих колес, а также специальные требования безопасности (в первую очередь, по вели чине тормозного пути). Таким образом, имеется ряд вопросов, требующих реше ния при построении асинхронного тягового привода для шахтного электровоза.
Ввиду того, что находящиеся в настоящее время в эксплуатации на отечественных шахтах электровозы устарели как физически, так и морально, решение вопросов применения на шахтных электровозах нового вида привода является важной науч но-технической задачей.
Тема диссертационной работы вписывается в научное направление ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплек сы» и госбюджетную тему П-3-834 «Энергосберегающие технологии в электро приводе шахтных машин и установок».
Цель работы – разработка научно обоснованных технических решений по применению асинхронного тягового привода на шахтном электровозе.
Задачи исследования:
1. Анализ технологических ограничений режимов работы шахтного элек тровоза.
2. Формулировка критериев выбора мощности тягового оборудования.
3. Определение рациональной величины жесткости тяговой характеристики и требований к быстродействию привода.
4. Разработка методов автоматического выравнивания нагрузок тяговых двигателей.
5. Разработка алгоритма управления асинхронным тяговым приводом, обес печивающего максимальное использование потенциальных возможностей элек тровоза.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе исполь зованы: методы теории электропривода, методы структурного анализа линейных систем, математическое и компьютерное моделирование, экспериментальные ис следования на физической модели.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается: обосно ванностью принятых допущений, корректным применением теоретических мето дов исследования, адекватностью используемых математических моделей, про веркой результатов на физических и вычислительных экспериментах.
Научная новизна:
1. Допустимая область расположения тяговых характеристик привода опре делена с учетом ограничения по допустимой длине тормозного пути экстренного торможения и оборудования тормозными средствами только локомотива.
2. Предложен критерий выбора мощности асинхронного тягового привода для шахтного электровоза, учитывающий ограничение скорости движения по ус ловиям торможения в режиме номинальной нагрузки, естественное охлаждение двигателей и ограниченный запас энергии источника питания.
3. Разработана математическая модель распределения тягового усилия в многодвигательном тяговом приводе, отличающаяся использованием приведен ных к ободу ведущих колес параметров механических характеристик двигателей.
4. Предложен способ выравнивания нагрузок тяговых двигателей, отличаю щийся тем, что коррекцией задающих воздействий на частоты вращения и коэф фициентов усиления регуляторов скорости в системе векторного управления обеспечивают совпадение приведенных к ободу ведущих колес механических характеристик двигателей.
Защищаемые положения:
1. В связи с наличием средств торможения шахтного поезда только на элек тровозе и ограничением тормозного пути экстренного торможения, скорость движения в значительной мере ограничена предельной величиной, находящейся в функциональной зависимости с величиной тягового усилия.
2. Жесткость тяговой характеристики не является лимитирующим фактором для обеспечения устойчивой реализации тягового усилия шахтного электровоза и может выбираться исходя из удобства управления и реализуемости быстродей ствия привода, требуемого для удовлетворительного протекания переходных процессов при выбранной жесткости.
3. Выравнивание тяговых усилий ведущих осей шахтного электровоза сле дует осуществлять путем совмещения механических характеристик двигателей, приведенных к ободам ведущих колес, выполняя для этого коррекцию их частот вращения идеального холостого хода и жесткостей.
4. Для максимального использования потенциальных возможностей элек тровоза с асинхронным приводом следует осуществлять автоматический выбор параметров тяговой характеристики (скорость идеального холостого хода и ог раничение тягового усилия) так, чтобы режим работы оказывался близко к гра нице допустимой области расположения тяговых характеристик.
Практическая ценность. В работе приводятся практические рекомендации к определению параметров и структуры системы управления асинхронным тяго вым приводом для шахтного электровоза, которые позволяют осуществлять про ектирование, достигая максимального использования потенциальных возможно стей электровоза: сцепной массы, скоростных параметров, ресурса тяговой бата реи. Приведенные рекомендации касаются: выбора мощности и номинальной час тоты вращения асинхронных тяговых двигателей;
определения варианта частотно го управления ими;
построения системы автоматического управления тяговым приводом, позволяющей максимально использовать сцепную массу электровоза и площадь области допустимых режимов.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Производственная компания «Но вочеркасский электровозостроительный завод» (г. Новочеркасск) в виде техниче ских рекомендаций, касающихся специальных вопросов проектирования тягового привода для рудничных локомотивов. Отдельные результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрификация и авто матизация производства» ШИ (ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доло жены и обсуждены на научно-технических конференциях ШИ (ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) в 2005-2010 гг., на научных симпозиумах «Неделя горняка» в Мо сковском государственном горном университете (2005, 2007, 2010 гг.). Работа в полном объеме доложена на расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика» ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 4 – в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 70 наименований и приложений. Объём работы составляет 142 страницы машинописного текста, 49 рисунков и 10 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определена цель диссерта ции, сформулированы задачи исследования, изложены основные научные резуль таты, выносимые на защиту, научная новизна полученных разработок, практиче ская ценность, апробация результатов работы.
В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, обобщен опыт приме нения асинхронного тягового привода на электровозах, приведены исторические данные. Перечислены основные конкурирующие виды тягового привода, рассмот рены их достоинства и недостатки.
В настоящее время основным типом тягового привода шахтного электровоза является привод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения, который управляется с помощью силового контроллера. Недостатками такого привода являются: малая жесткость тяговой характеристики и невозможность ав томатического перехода в тормозной режим, что затрудняет управление электро возом и снижает безопасность движения;
малое число позиций контроллера, что вызывает большие колебания тягового усилия в процессе пуска и не дает полно стью использовать сцепную массу;
наличие щеточно-коллекторного узла (его тех ническое обслуживание в условиях угольной шахты затруднено).
Исследования в области построения тягового привода для шахтных электро возов проводились научными коллективами под руководством Б. С. Беловидова, С. А. Волотковского, В. Н. Кордакова, Г. П. Оата, Г. Я. Пейсаховича, Г. Г. Пивняка, А. А. Ренгевича, А. В. Рысьева, О. Н. Синчука, А. О. Спиваков ского, А. Д. Спицина, В. Д. Тулупова, П. С. Шахтаря, В. Г. Шорина и других.
Большой вклад в исследования вопросов тяги, в том числе с использованием асин хронного привода внесли теоретические и экспериментальные работы, выполнен ные под руководством Ю. А. Бахвалова, А. Т. Буркова, В. Л. Дебелого, Л. Ф. Коломейцева, П. Г. Колпахчьяна, А. Л. Курочка, Д. К. Минова, С. А. Пахомина, Е. М. Плохова, Р. А. Сажнева, А. С. Сандлера, М. Л. Сапункова, Ю. П. Сердюкова, В. Г. Щербакова, В. П. Янова и других авторов. Работы в облас ти тягового привода выполнялись и продолжают вестись в Московском государст венном институте путей сообщения (МИИТ), Всероссийском научно исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ», г. Новочеркасск), Новочеркасском электровозостроительном заводе (ОАО «НПО НЭВЗ»), Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ (НПИ)), Санкт-Петербургском государственном горном институте (СПГГИ), Московском государственном горном университете (МГГУ), институте горного дела им. А. А. Скочинского (г. Москва), Пермском государст венном техническом университете, Донецком национальном техническом универ ситете, ОАО «Электромашина» (г. Харьков), ЗАО ПКФ «Амплитуда» (г. Донецк), ООО «Шахтные электрические системы» (г. Пермь) и в других организациях.
Анализ состояния вопроса позволил определить основные задачи диссерта ционной работы.
Во второй главе рассмотрены общие вопросы проектирования тягового привода применительно к шахтному электровозу: ограничения на возможные ре жимы работы тягового привода, вопросы выбора мощности тяговых двигателей и построение желаемой тяговой характеристики.
На режимы работы электровоза накладываются ограничения: тягового уси лие по условию сцепления;
скорости по конструктивным параметрам подвижного состава, состоянию рельсового пути, требованиям безопасности и по условию торможения – максимальная скорость, при которой получается допустимый тор мозной путь экстренного торможения.
Если считать известным коэффициент сопротивления движению поезда, то допустимая скорость может быть определена из решения уравнения движения при торможения:
1000W (1 + ) L tп + tп + gw( B + W ) (1) v= 1000W (1 + ) gw( B + W ) где t п - время подготовки тормозной системы, с;
W – сила сопротивления движе нию, Н;
– коэффициент инерции вращающихся масс (типичное значение 0,075);
L – тормозной путь, м;
g – ускорение свободного падения, м/с ;
w – полный ко эффициент сопротивления движению (сумма из сопротивления движению ваго нетки, сопротивления от уклона и дополнительного сопротивления при движении по криволинейному участку пути), Н/кН;
B – усилие системы торможения, Н.
Будучи изображенными в одной системе координат, вышеупомянутые огра ничения образуют допустимую область расположения тяговых характеристик, в которой должны находиться все допускаемые режимы работы привода (рис. 1).
Эта область в значительной мере ограничена по условию торможения ввиду того, что все тормозные средства находятся на локомотиве, и с ростом массы поезда снижается удельное тормозное усилие.
Ограничение по допустимому тяговому усилию определено при наличии и при отсутствии подсыпки песка, как, соответственно, предел тяги при трогании и предел ходовой тяги.
Для выбора номинальной мощности привода требуется определить номи нальное тяговое усилие, что осуществляется из рассмотрения условий охлажде ния. Показано, что для аккумуляторного электровоза с двигателями закрытого ис полнения номинальное тяговое усилие должно составлять порядка 0,5 предела хо довой тяги. Таким образом получено основание для выбора мощности тягового привода (длительного режима) как произведения номинального тягового усилия и скорости, определяемой по пересечению линии номинального тягового усилия и границы допустимой области расположения тяговых характеристик. Полученное значение длительной мощности проверяется по энергоемкости тяговой батареи.
Для управления электрово Рис. 1. Допустимая область расположения тяговых зом благоприятной является же характеристик. Электровоз АРП7 сткая характеристика с продол жением в область тормозных режимов, которая, однако, не позволяет полностью использовать площадь допустимой области расположения тяговых характеристик.
Поэтому предложено формировать тяговую характеристику жесткой с ограниче нием предельного тягового усилия, а ее параметры выбирать на основании теку щего значения скорости и усредненного по времени тягового усилия.
На рис. 2 изображено семейство тяговых характеристик, а на рис. 3 – функ циональная схема устройства для автоматического выбора их параметров. В схеме тяговый привод имеет входы управления величинами частоты вращения и пре дельного момента тягового привода, входные сигналы на которые рассчитываются исходя из заданного значения и ограничения скорости, а также достигнутой ско рости и момента привода M, определяющих текущий режим работы.
Во второй главе также рассмотрены вопросы общего построения системы Рис. 3. Функциональная схема системы автоматиче ского управления движением Рис. 2. Семейство жестких тяговых харак теристик управления асинхронным тяговым приводом. Предложено строить ее по иерархи ческому принципу, где на нижнем уровне находятся системы управления преобра зователей частоты, осуществляющие управление моментом двигателя по задан ным значениям частоты вращения, жесткости механической характеристики и ог раничении момента. На верхнем уровне находится центральное управляющее уст ройство с пультом машиниста, в котором реализованы алгоритмы управления движением (рис. 3) и выравнивания тяговых усилий. Связь между центральным управляющим устройством и преобразователями частоты осуществлена через об щую шину связи, которая позволяет объединять в общую систему управления два и более электровоза по системе многих единиц при управлении с одного поста.
Схема реализации такого объединения двух электровозов показана на рис. 4.
Третья глава посвящена определению требований к параметрам тягового Рис. 4. Объединение двух электровозов при управлении по системе многих единиц привода – жесткости тяговой характеристики и быстродействию.
Процесс реализации тягового усилия сопряжен со скольжением поверхности колеса относительно рельса, характеризуемым скоростью скольжения. Зависи мость тягового усилия от этой скорости (характеристика сцепления) имеет участ ки устойчивого и избыточного проскальзывания;
на последнем возрастание скоро сти скольжения приводит к снижению тягового усилия. Известно, что для исклю чения перехода к разносному боксованию необходимо, чтобы жесткость тяговой характеристики была выше, чем жесткость характеристики сцепления на участке избыточного проскальзывания. Для линейной тяговой характеристики мерой же сткости является коэффициент статизма, который должен отвечать условию:
1000k дт sн ;
(2) v н где k дт – отношение номинального тягового усилия к пределу ходовой тяги;
– номинальный коэффициент сцепления;
– жесткость характеристики сцеп ления на участке избыточного проскальзывания, (Н/кН)/(м/с);
vн – номинальная скорость движения, м/с.
Для рассмотрения динамических режимов была построена математическая модель тягового привода в виде структурной схемы рис. 5. После замены нели нейной зависимости f сц (u ) на линейную с коэффициентом и предположения по стоянства линейной скорости в течении переходного процесса, на ее основе полу чены условия устойчивой реализации тягового усилия:
2 +. (3) TЭ + J Первое неравенство выражает требование к статической жесткости и приво дит к условию (2). Второе неравенство выражает требование к быстродействию тягового привода.
Рис. 5. Структурная схема модели тягового привода. Обозначения: 0 – заданное значение частоты вращения, – жесткость механической характеристики, TЭ – постоянная времени привода, M д – момент двигателя, J – момент инерции вращающихся частей, – частота вра щения двигателя, – радиус приведения, u – скорость скольжения, f сц (u ) – зависимость силы сцепления от скорости скольжения, Fсц – сила сцепления, Fс – сила сопротивления движению, m – масса состава, v – скорость движения Помимо устойчивости сцепления требуется также удовлетворительная фор ма переходных процессов, которая может быть достигнута путем получения ко эффициента демпфирования системы = 1 0,707. При этом требуемое значе ние электрической постоянной времени определяется по формуле:
k k a a + дт дт J( ) 1000 v н s н v н s н TЭ =, (4) 2 mЭ g a 2 ( ) n где J – момент инерции вращающихся частей, кгм2;
a – жесткость характе ристики сцепления на участке избыточного проскальзывания, (Н/кН)/(м/с);
vн – номинальная скорость, м/с;
mЭ – масса электровоза, кг;
n – число ведущих осей.
Для проверки полученных результатов было произведено математическое моделирование работы тягового привода в режиме потери и восстановления сцеп ления. Математическая модель строилась на основе структурной схемы рис. 5.
Моделировались процессы, происходящие при ухудшении условий сцепления ко лес с рельсами и последующем их восстановлении, при этом регистрировалась ве личина скорости скольжения u. На рис. 6 приведен пример переходных процессов, полученных при различных величинах быстродействия электропривода Te и ста тизме тяговой характеристики sн=0,05. Рассчитанное по формуле (4) значение по стоянной времени привода для условий моделирования составило 0,011 с.
TЭ=0,025 с TЭ=0,015 с TЭ=0,005 с Рис. 6. Графики зависимости скорости скольжения от времени для s н =0,05.
Анализ результатов моделирования позволил сделать выводы о том, что:
1) подтвердились результаты, полученные с помощью аналитического исследова ния упрощенной модели тягового привода;
2) увеличение скорости скольжения при потере сцепления определяется жесткостью тяговой характеристики привода;
3) вид переходного процесса определяется электрической инерционностью приво да, увеличение которой может приводить к значительной колебательности;
4) требования к быстродействию привода повышаются с увеличением жесткости тяговой характеристики.
На основе расчета для типичных параметров шахтного аккумуляторного электровоза сделан вывод о необходимости применения системы векторного управления асинхронным двигателем, как обеспечивающей требуемое быстродей ствие. Дополнительным преимуществом такой системы является возможность за дания ограничения момента и получения сигнала о его текущем значении.
Четвертая глава посвящена вопросу выравнивания нагрузок между веду щими осями. Особенность асинхронного привода в том что, из-за высокой жест кости тяговой характеристики даже небольшое расхождение в параметрах отдель ных приводов вызывает значительное расхождение загруженности двигателей, вплоть до перехода отдельных из них в генераторный режим. В то же время, в процессе работы возможны срывы сцепления, и, как следствие, уменьшение тяго вого усилия отдельных осей, не связанное с неравномерной загрузкой. Целью вы равнивания нагрузок является полное использование сцепной массы электровоза, которое достигается при равенстве тяговых усилий всех ведущих осей.
Причиной разности тяговых усилий является различие диаметров колес по кругу катания и параметров тяговых двигателей. Особенностью этих причин явля ется то, что они медленно изменяются во времени. Выравнивания тяговых усилий можно добиться путем индивидуальной коррекции параметров механических ха рактеристик двигателей: жесткости либо частоты вращения идеального холостого хода. Тяговый привод шахтного электровоза (например, двухосного) может быть описан системой уравнений:
F1* = * ( 1* 01* 1* F1* v* ) 1* F2* = * ( 2* 02* 2* F2* v* ), (5) 2* Fc* = F1* + F2* где Fi* – тяговое усилие i-й оси (здесь и далее в относительных единицах);
* – коэффициент перевода скорости скольжения в тяговое усилие;
i* – радиус при ведения;
0i* – частота вращения идеального холостого хода;
i* – жесткость ме ханической характеристики двигателя;
v* – скорость поступательного движения;
Fc* – сила сопротивления движению.
Исходя из данной модели, требуемое скорректированное значение частоты вращения идеального холостого хода (либо жесткости) определяются как:
1* 2* 01* ) + 02* 2*, = Fc* ( (6) 2 1* 2 1* 2* 1* Fc* 12 2* 1* =. (7) * Fc* 2* + 2 2* ( 1* 01* 2*02* ) В обоих случаях в выражении присутствует величина текущего сопротивле ния движению, которая изменяется случайным образом, и требуемое значение корректируемого параметра должно меняться вместе с ним. Последнее требование встречает сложности при реализации. В связи с этим предлагается для выравнива ния тяговых усилий добиваться совпадения механических характеристик двигате лей, приведенных к поступательному движению. В этом случае выравнивание тя говых усилий будет происходить автоматически, а системе выравнивания потре буется отрабатывать лишь медленные изменения параметров привода.
Совпадение тяговых характеристик возникает при соответственном равенст ве их жесткостей и скоростей холостого хода, для достижения которого требуется совмещенная коррекция указанных параметров. При этом возникает задача опре деления параметра, требующего коррекции, для решения которой предлагается использовать режимы, близкие к холостому ходу, в которых разность тяговых усилий обуславливается преимущественно различием скоростей идеального холо стого хода.
Для реализации выравнивания тяговых усилий предлагается устройство, функциональная схема которого показана на рис. 7. Схема содержит ряд тяговых электродвигателей с индивидуальными системами питания, каждая из которых имеет входы для сигналов коррекции скорости идеального холостого хода и жест кости, а также выход наблюдателя тягового усилия. Каждая ось имеет индивиду альный набор корректирующих устройств жесткости и скорости, на входы кото рых подается сигнал отклонения тягового усилия данной оси от среднего значения тягового усилия. Также каждое из корректирующих устройств имеет вход разре шения, запрещающий сигнал на котором прекращает работу уст ройства с сохранением неиз менной его выходной величины.
Сигнал на входы разрешения по дается от релейных элементов РЭ и РЭ2, работающих в функции среднего значения тягового уси лия. Релейные элементы настрое ны таким образом, что при работе локомотива в режиме, близком к холостому ходу (малом значении среднего тягового усилия) разре шается работа корректирующих устройств скорости идеального холостого хода, тогда как при воз растании среднего тягового усилия происходит их блокирование и Рис. 7. Функциональная схема системы разрешение коррекции жесткости.
выравнивания тяговых усилий ведущих осей Подобным образом осуществляет ся адаптивное регулирование корректирующего воздействия: структура регули рующего устройства изменяется в зависимости от текущего значения параметра – среднего тягового усилия. На такой способ выравнивания тяговых усилий подана заявка для получения патента на изобретение.
Работа предложенной системы испытывалась на математической модели тя гового привода с двумя ведущими осями, тяговые характеристики которых имеют различные скорости идеального холостого хода и жесткости. Схема модели в сис теме MATLAB Simulink приведена на рис. 8. Она содержит модель тягового привода с входами управления частотой вращения идеального холостого хода и жесткостью механической характеристики и модель системы автоматического выравни вания тяговых усилий, содержащую корректирующие устройства и релейные эле менты.
Моделировалась работа локомотива в условиях пере менной нагрузки. Характер ный вид переходного процесса Рис. 8. Модель в системе MATLAB Simulink показан на рис. 9. Для нагляд ности в течение первых 50 с не осуществлялось выравнивание тяго вых усилий, и имелась их разность порядка 0,35 отн. ед. На 50-й секунде было разрешено выравнивание тяго вых усилий, в результате которого их разность стала близка к нулю и мало зависела от изменяющейся нагрузки локомотива. Показанный график был получен для идеализированного слу чая обратной связи по истинным зна чениям тяговых усилий осей. Выпол нялось также моделирование для слу- Рис. 9. Переходной процесс выравнивания тяговых усилий чая обратной связи по моменту двига теля в качестве сигнала тягового усилия оси. В этом случае по окончании пере ходного процесса имеется остаточная разность, составляющая единицы про центов и обусловленная неравенством радиусов приведения.
Пятая глава посвящена экспе риментальной проверке способа вы равнивания тяговых усилий путем по лучения совпадающих тяговых харак теристик на установке, схема которой приведена на рис. 10. Установка со держит два однотипных асинхронных двигателя M1 и M2, питающихся от Рис. 10. Схема экспериментальной установки индивидуальных преобразователей частоты Z1, Z2 и работающих I, А на общий вал с нагрузочной 0, машиной постоянного тока не 0, зависимого возбуждения M3.
Двигатель M1 связан с нагру- 0, зочной машиной непосредст- 0, венно, а M2 – через механиче скую передачу, позволяющую 0, иметь отличное от единицы 0, передаточное отношение. Мо менты на валах асинхронных 0,5 Iср, А 0,3 0,35 0,4 0, двигателей измеряются по ре Рис. 11. Зависимости токов преобразователей от их акции статоров с помощью тензометрических датчиков, а среднего значения перед (прерывистые линии) и после выполнения выравнивания нагрузок (сплошные линии) частоты вращения – с помо щью импульсных оптических датчиков и цифрового тахометра.
В процессе эксперимента моделировалась работа тягового привода при раз личии диаметров бандажей ведущих колес, что достигалось с помощью механиче ской передачи. На рис. 11 приведены опытные зависимости токов преобразовате лей частоты от их среднего значения перед и после выполнения выравнивания на грузок. Как видно из рисунка, после выполнения коррекции линии лежат сущест венно ближе друг к другу, частично совмещаясь, то есть имеется эффект устране ния неравномерности распределения общей нагрузки. При этом относительно ма лая разность сохраняется при изменении общей нагрузки на привод (величина корректирующих воздействий поддерживалась неизменной).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе получено научно обоснованное решение актуаль ной задачи разработки рекомендаций к проектированию асинхронного тягового привода для шахтного аккумуляторного электровоза. Основные результаты рабо ты заключаются в следующем:
1. Определены ограничения режимов работы шахтного электровоза;
выяс нено, что максимальная скорость движения в значительной мере ограничена по условию получения допустимого тормозного пути.
2. Предложен критерий для выбора номинальной частоты вращения и мощности тягового двигателя.
3. Исследованы особенности реализации тягового усилия шахтным элек тровозом, выяснено, что, при практически встречающихся величинах жесткости тяговой характеристики асинхронного привода, она не является лимитирующим фактором для обеспечения устойчивости реализации тягового усилия.
4. Проведены аналитические исследования реализации тягового усилия в динамическом режиме, на основании которых сформулированы требования к бы стродействию привода для получения удовлетворительного переходного процесса.
Результаты аналитических исследований подтверждены с помощью математиче ского моделирования.
5. Предложен способ выравнивания тяговых усилий в многодвигательном асинхронном приводе по принципу адаптивного регулирования коррекции тяго вых характеристик отдельных осей, отличающийся тем, что производится совме щенное воздействие на жесткости и частоты вращения идеального холостого хода механических характеристик тяговых двигателей. Это позволяет поддерживать равномерное распределение тяговых усилий в условиях меняющейся нагрузки на электровоз без необходимости применения быстродействующего автоматического регулятора тягового усилия.
6. С помощью экспериментальных исследований проверена возможность осуществления выравнивания тяговых усилий способом получения одинаковых приведенных механических характеристик путем совмещенного воздействия на их жесткость и частоту вращения идеального холостого хода.
7. Сформулирован принцип управления асинхронным тяговым приводом, который позволяет повысить производительность электровоза путем автоматиче ского установления максимальной скорости в условиях действующих ограниче ний.
Основное содержание диссертации отражено в публикациях:
1. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. Асинхронный частотно-регулируемый привод шахтного электровоза // Совершенствование технологии, механизации и организации строительства и эксплуатации горно-добывающих предприятий и пу ти повышения качества подготовки специалистов: сб. науч. ст. / Шахтинский ин-т ЮРГТУ. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. – C. 56 – 60.
2. Д. В. Волков. Асинхронный частотно-регулируемый привод шахтного электровоза. // Записки горного института. Т. 159: Полезные ископаемые России и их освоение. / Санкт – Петербург. гос. горн. ин-т (техн. ун-т) – СПб, 2004. – Ч. 2.
С. 78 – 81.
3. Д. В. Волков. Разработка микропроцессорной системы управления асинхронным частотно – регулируемым приводом рудничного электровоза. // Изв.
вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. – 2005. – Спецвып. «Проблемы горной электромеханики» – С. 160 – 163.
4. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. Разработка и исследование асинхрон ного частотно-регулируемого привода рудничного электровоза. // Изв. вузов. Се веро-Кавказский регион. Техн. науки. – 2005. – Спецвып. «Проблемы горной элек тромеханики» – С. 163 – 166.
5. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. К вопросу о применении асинхронного частотно-регулируемого привода на рудничном электровозе. // Горный информа ционно-аналитический бюллетень. – 2005. – № 11. – С. 314 – 318.
6. Д. В. Волков. Экспериментальная проверка системы асинхронного тя гового электропривода рудничного электровоза. // Механизация, автоматизация и электрификация горного и строительного производства, сервис технологических машин и оборудования. Сб. научн. тр. /Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). - Ново черкасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. – С. 72 – 76.
7. Д. В. Волков. Асинхронный тяговый привод – особенности примене ния на рудничном электровозе. // Исследования в области конструирования, рабо чих процессов и эксплуатации технологических машин: сб. научн. тр. / Шахтин ский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. – С. 192 – 197.
8. Д. В. Волков. К вопросу управления приводом рудничного электровоза в режиме пуска. // Горный информационно – аналитический бюллетень – 2007. – № 8. – С. 360 – 363.
9. Д. В. Волков. К вопросу формирования рациональной тяговой харак теристики рудничного электровоза. // Перспективы развития Восточного Донбас са. Часть 2: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ), 2007. – С.
187 – 192.
10. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. Реализация рациональной тяговой ха рактеристики шахтного электровоза средствами асинхронного частотно регулируемого электропривода. // Горное оборудование и электромеханика. – 2008. – № 10. – С. 28 – 32.
11. Д. В. Волков. Моделирование асинхронного частотно-регулируемого привода шахтного электровоза. // Интеллектуальные электро-механические уст ройства, системы и комплексы: Материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., г.
Новочеркасск, 20 окт. 2008 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск:
ЮРГТУ, 2008. – С. 6 – 9.
12. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. Компьютерное моделирование пере ходных процессов в асинхронном тяговом приводе шахтного электровоза. // Элек тротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 16. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 39 – 44.
13. Д. В. Волков. Выравнивание нагрузок тяговых двигателей шахтного электровоза. Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и ком плексы: материалы X Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 22 окт.
2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. – С. 4 – 6.
14. Д. В. Волков, Ю. П. Сташинов. Выравнивание нагрузок двигателей асинхронного тягового привода шахтного электровоза. // Известия тульского госу дарственного университета. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. / Тула: Изд-во Тул ГУ, 2010. – Ч. 3. – С. 10 – 15.
Волков Дмитрий Владимирович АСИНХРОННЫЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД ШАХТНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВЫРАВНИВАНИЕМ НАГРУЗОК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Автореферат Подписано в печать 16.11.2010.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 48-1173.
Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения,