Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень развития электронной техники открывает перспективы получения новых качеств существующих объектов: повышения надежности и экономичности функционирования, удобства и безопасности эксплуатации. Так, широкое распространение полупроводниковой преобразовательной техники позволило применить бесконтактные электродвигатели, в частности, 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 нормально искрящих частей. Рельсовый транспорт продолжает оставаться одним из основных на угольных шахтах, причем большая часть эксплуатируемых локомотивов 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 величине тормозного пути). Таким образом, имеется ряд вопросов, требующих решения 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 научно-технической задачей.
Тема диссертационной работы вписывается в научное направление ЮРГТУ (НПИ) «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» и госбюджетную тему П-3-834 «Энергосберегающие технологии в электроприводе шахтных машин и установок».
Цель работы - разработка научно обоснованных технических решений по применению асинхронного тягового привода на шахтном электровозе.
Задачи исследования:
Анализ технологических ограничений режимов работы шахтного электровоза.
Формулировка критериев выбора мощности тягового оборудования.
Определение рациональной величины жесткости тяговой характеристики и требований к быстродействию привода.
Разработка методов автоматического выравнивания нагрузок тяговых двигателей.
5. Разработка алгоритма управления асинхронным тяговым приводом, обеспечивающего максимальное использование потенциальных возможностей электровоза.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использованы: методы теории электропривода, методы структурного анализа линейных систем, математическое и компьютерное моделирование, экспериментальные исследования на физической модели.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается: обоснованностью принятых допущений, корректным применением теоретических методов исследования, адекватностью используемых математических моделей, проверкой результатов на физических и вычислительных экспериментах.
Научная новизна:
Допустимая область расположения тяговых характеристик привода определена с учетом ограничения по допустимой длине тормозного пути экстренного торможения и оборудования тормозными средствами только локомотива.
Предложен критерий выбора мощности асинхронного тягового привода для шахтного электровоза, учитывающий ограничение скорости движения по условиям торможения в режиме номинальной нагрузки, естественное охлаждение двигателей и ограниченный запас энергии источника питания.
Разработана математическая модель распределения тягового усилия в многодвигательном тяговом приводе, отличающаяся использованием приведенных к ободу ведущих колес параметров механических характеристик двигателей.
Предложен способ выравнивания нагрузок тяговых двигателей, отличающийся тем, что коррекцией задающих воздействий на частоты вращения и коэффициентов усиления регуляторов скорости в системе векторного управления обеспечивают совпадение приведенных к ободу ведущих колес механических характеристик двигателей.
Защищаемые положения:
В связи с наличием средств торможения шахтного поезда только на электровозе и ограничением тормозного пути экстренного торможения, скорость движения в значительной мере ограничена предельной величиной, находящейся в функциональной зависимости с величиной тягового усилия.
Жесткость тяговой характеристики не является лимитирующим фактором для обеспечения устойчивой реализации тягового усилия шахтного электровоза и может выбираться исходя из удобства управления и реализуемости быстродействия привода, требуемого для удовлетворительного протекания переходных процессов при выбранной жесткости.
Выравнивание тяговых усилий ведущих осей шахтного электровоза следует осуществлять путем совмещения механических характеристик двигателей, приведенных к ободам ведущих колес, выполняя для этого коррекцию их частот вращения идеального холостого хода и жесткостей.
Для максимального использования потенциальных возможностей электровоза 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 границе допустимой области расположения тяговых характеристик.
Практическая ценность. В работе приводятся практические рекомендации к определению параметров и структуры системы управления асинхронным тяговым приводом для шахтного электровоза, которые позволяют осуществлять проектирование, достигая максимального использования потенциальных возможностей электровоза: сцепной массы, скоростных параметров, ресурса тяговой батареи. Приведенные рекомендации касаются: выбора мощности и номинальной частоты вращения асинхронных тяговых двигателей; определения варианта частотного 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 «Новочеркасский электровозостроительный завод» (г. Новочеркасск) в виде технических рекомендаций, касающихся специальных вопросов проектирования тягового привода для рудничных локомотивов. Отдельные результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Электрификация и автоматизация производства» ШИ (ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях ШИ (ф) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) в 2005-2010 гг., на научных симпозиумах «Неделя горняка» в Московском 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.
