Об оптимальной тяговой характеристике привода рудничного электровоза и путях её реализации

© Ю.П. Сташинов, А.С. Семенчук, Д.В. Волков, 2008

УДК 622.62

Ю.П. Сташинов, А.С. Семенчук, Д.В. Волков

ОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ ПРИВОДА РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА И ПУТЯХ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Семинар № 22

Эксплуатационные свойства рудничного электровоза, как и любого другого электрифицированного транспортного средства, в значительной степени определяются тяговой характеристикой его электропривода - зависимостью скорости движения V от тягового усилия F. Поэтому вопрос о выборе оптимальной тяговой характеристики является предметом изучения и заинтересованного обсуждения разработчиков транспортных средств с электрическим приводом практически с момента начала его применения. При этом из-за отсутствия в течение длительного времени приемлемых технических средств плавного и экономичного регулирования скорости вопрос сводился преимущественно к сравнительной оценке естественных механических характеристик тяговых электродвигателей, в частности, постоянного тока с различными вариантами возбуждения. В многочисленной книжной и журнальной литературе приводится подробное сопоставление достоинств и недостатков механических характеристик тяговых электродвигателей независимого, смешанного и последовательного возбуждения. При этом в качестве оптимальных обосновывается применение фактически взаимоисключающих вариантов от жесткой характеристики стабилизации скорости V=Const [1] до мягкой характеристики стабилизации мощности

P=F•V=Const [2].

Объясняется это многообразием и сложностью условий эксплуатации различных транспортных средств, неоднозначностью, а порой противоречивостью требований, предъявляемых к их тяговым электроприводам. Характеристики, оптимальные в определенном смысле для одних условий, могут не соответствовать принятому критерию для других условий эксплуатации.

Кроме того, состав и иерархия критериев оптимальности не остаются неизменными, а зависят от уровня развития техники управления электроприводами, стоимости материалов, комплектующих, трудовых и энергетических ресурсов и других факторов. Так, современные средства силовой и информационной электроники позволяют получить практически любую требуемую форму тяговой характеристики электропривода вне зависимости от типа применяемого двигателя. Поэтому вопрос о наивыгоднейшей форме тяговой характеристики, реализуемой электродвигателем, трансформируется в более общую задачу поиска оптимальной формы тяговой характеристики, реализуемой электроприводом, с учетом возможностей системы управления.

Необходимо также иметь в виду, что положительный эффект от применения оптимальной тяговой характеристики проявляется только в процессе эксплуа-

тации транспортного средства и неизбежно зависит от режимов его работы. В связи с этим возникает вторая, взаимосвязанная с поставленной и вместе с тем представляющая самостоятельный интерес задача оптимизации режимов работы тягового привода с привлечением различных подходов и критериев оптимизации.

В данной работе предпринята попытка решения первой из указанных задач с учетом современного этапа развития электропривода, условий работы, требований и ограничений, характерных для рудничной электровозной откатки.

Особенности условий и режимов работы рудничных электровозов, влияющие на выбор вида тяговой характеристики привода:

- сложные профили откаточных путей и как следствие - частые колебания в широких пределах нагрузки на тяговые двигатели, вплоть до изменения знака;

- во многих случаях неудовлетворительное состояние рельсовых путей и непостоянство коэффициента сцепления колес с рельсами;

- частая работа тяговых двигателей на промежуточных характеристиках регулирования скорости.

Наиболее характерные ограничения, оказывающие влияние на вид и параметры тяговой характеристики привода рудничных электровозов:

- ограничение максимального тягового и тормозного усилий: перегрузочной способностью и нагревом тяговых электродвигателей; коммутационной способностью коллекторно-щеточного узла (для двигателей постоянного тока); прочностью узлов механических передач; требованием устойчивого сцепления колес электровоза с рельсами, кото-

рое в большинстве случаев является определяющим;

- ограничение скорости движения, а значит и частоты вращения двигателей: механической прочностью тяговых двигателей и передаточных механизмов; коммутационной способностью коллекторно-щеточного узла (для двигателей постоянного тока); состоянием рельсовых путей и требованиями правил безопасности в угольных шахтах. Как правило, определяющим из них является ограничение по допустимой длине тормозного пути при экстренном торможении;

- ограниченные габариты подвижного состава, затрудняющие размещение на электровозе дополнительного оборудования;

- ограниченный запас энергии источника питания и взрывобезопасное исполнение электрооборудования для аккумуляторных электровозов.

С учетом сказанного современный электропривод рудничного электровоза должен обладать характеристиками, позволяющими обеспечить:

- плавные разгон и торможение поезда с возможностью реализации максимально допустимых величин тягового и тормозного усилий;

- плавное регулирование скорости в широких пределах с минимальными потерями электроэнергии;

- максимальное и рациональное использование возможностей установленного на электровозе оборудования, в первую очередь, тяговых двигателей и источника питания, для достижения наибольшей производительности;

- удобное управление и безопасную эксплуатацию электровоза с автоматической защитой от аварийных режимов работы;

- возможность настроики параметров тяговой характеристики для конкретных условиИ эксплуатации, а также ручной или автоматической подстройки их в процессе работы привода с учетом реальных нагрузок на тяговые двигатели с целью обеспечения для них нормального теплового режима.

В наибольшей степени данным требованиям удовлетворяет, по нашему мнению, предельная характеристика привода, обеспечивающая максимальное использование ограничений, а также мощности тяговых двигателей (и источника питания - для аккумуляторных электровозов). Характеристика, отвечающая этим требованиям, показана на рисунке контуром 0-1-3-4-5-6-7-8-0, а пунктирной линией 2-4-10 показан фрагмент тяговой характеристики, реализуемой двигателем последовательного возбуждения.

В качестве критерия оптимальности при указанном подходе можно принять максимум коэффициента К, численно равного отношению площади, охваченной графиком предельной тяговой характеристики, к площади прямоугольника, ограничивающего максимально допустимые значения

Оптимальная тяговая характеристика привода электровоза

пускового Fn и тормозного FT усилий, а также скорости

Vm:

Fn

j V(F)dF

K = —^------------= max .

(Fn + Ft) • VM

Из рисунка видно, что величина этого коэффициента для оптимальной характеристики больше, чем для характеристики электропривода с двигателями последовательного возбуждения за счет дополнительных площадей 2-4-9 и 4-5-10. В результате следует ожидать, что при работе в одинаковых условиях оптимальная характеристика позволит получить несколько большую среднюю скорость движения, а, следовательно, и более высокую производительность электровоза.

При реализации оптимальной характеристики электроприводом постоянного тока участок 1-2 соответствует разгону поезда с максимальной величиной тягового усилия Fn путем постепенного повышения напряжения питания до номинального при постоянном максимальном токе возбуждения. Промежуточные характеристики привода при этом жесткие, что повышает коэффициент сцепления колес с рельсами и уменьшает вероятностью появления избыточного боксования [3]. На участке 2-3 продолжается разгон при постепенным уменьшении магнитного потока с последующим выходом на жесткий участок характеристики 3-4 с постоянным номинальным возбуждением тяговых двигателей. При уменьшении тягового усилия до F0 происходит переход на мягкую гиперболическую характеристику при-мерного постоянства мощности

N0 = F • V = U • I • q &const,

где U, I - напряжение питания и ток якорной цепи двигателя; q - общий кпд двигателя и передаточного механизма.

Поддержание постоянной мощности обеспечивается стабилизацией тока I = I0 = const соответствующим ослаблением магнитного поля при неизменном напряжении питания якорной цепи электродвигателя.

При дальнейшем снижении нагрузки двигатель переходит на жесткую характеристику (участок 5-6) стабилизации скорости с автоматическим переходом в режим рекуперативного торможения (при условии готовности источника питания принять энергию рекуперации). Участки 6-7-8-0 характеристики соответствуют режиму остановочного рекуперативного торможения.

Что касается промежуточных характеристик, работа на которых связана с необходимостью снижения скорости движения, то из соображений удобства управления, по-види-мому, желательно, чтобы они были жесткими, как показано на рисунке.

Необходимо иметь в виду, что при фиксированных координатах точки 4 на графике тяговой характеристики в зависимости от режимов работы электровоза может происходить нагрев двигателей до температуры tДВ , пре-вышающей

допустимую tДОп, а также преждевременный разряд батареи до окончания рабочей смены (на аккуму-ляторных электровозах), либо же на-оборот - недоиспользование мощно-сти тяговых двигателей и энергоемко-сти аккумуляторной батареи. Поэтому желательно, чтобы участок стабилизации мощности тяговой характеристики можно было смещать по инициативе машиниста или же автоматически по результатам кон-

троля температуры тяговых двигателей и степени разряженности аккумуляторной батареи для соблюдения условий:

*ДВ < *доп ; |иБ(1)• Ш• Й < аб. ,

0

где иБ(Г), 1Б(^ - напряжение и ток аккумуляторной батареи при разряде; Т -принятая продолжительность работы аккумуляторной батареи между зарядками; Аб - запас энергии заряженной батареи.

Оптимальную тяговую характеристику с переменной жесткостью, изображенную на рисунке, или приближение к ней можно получить только с помощью соответствующих воздействий на тяговые двигатели со стороны системы управления приводом.

Наиболее приспособленным и гибким для этого является тяговый привод с двигателями независимого возбуждения при регулировании напряжения питания якорных цепей с помощью импульсного преобразователя постоянного напряжения на полностью управляемых силовых полупроводниковых элементах. Регулирование возбуждения и реверс двигателей также могут осуществляться с помощью управляемых ключевых элементов в маломощной и слаботочной цепи независимых обмоток возбуждения

[4]. При этом возможно выравнивание нагрузок между параллельно соединенными тяговыми двигателями подрегулированием их возбуждения, с необходимой задержкой для отстройки от неравномерности распределения токов, вызванной избыточным боксованием одной из колесных пар.

Недостатком такого варианта является необходимость изменения параметров обмоток возбуждения. Для исключения этого можно питать низковольтные обмотки возбуждения двигателей последовательного возбуждения, при-

меняемых на рудничных электровозах, от понижающего регулируемого преобразователя постоянного напряжения с трансформаторной развязкой, что, однако, усложняет и удорожает силовую часть системы управления.

Для уменьшения требуемой мощности преобразователей можно использовать их только для подпитки обмоток возбуждения при снижении тока якорной цепи ниже определенной величины

[5], благодаря чему обеспечивается также автоматический переход с мягкой характеристики двигателя последовательного возбуждения на жесткую характеристику ограничения скорости. При

1. Розенфельд В.Е. Электрическая тяга по-

ездов / В. Е. Розенфельд, Ю.Е. Рывкин, И.А. Лакштовский. - М.: Гострансжелдориздат.

1940.

2. Марквард Г.Г., Шляхто П.Н. О наивыгоднейшей характеристике тягового двигателя. Электричество, 1958, № 2.

3. Фаминский Г.В. Эффективность использования локомотивов с жесткими тяговыми характеристиками. Вестник ВНИИЖТ, № 6, 1996.

этом для дополнительной деформации характеристики в желаемом направлении напряжение источника подпитки может регулироваться в функции тока якоря.

Перспективным способом реализации предложенной тяговой характеристики является применение асинхронного привода с системой управления, обеспечивающей регулирование магнитного потока двигателя в функции частоты и электромагнитного момента, а также стабилизацию скорости при работе на жестких участках характеристики за счет отрицательной обратной связи по управляемой координате.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Сташинов Ю.П. Двухдвигательный тяговый электропривод постоянного тока: заявка на патент № 2006147053 от 27.12.2006 / Ю.П. Сташинов, А.С. Семенчук, Д.В. Волков.

5. Сташинов Ю.П. Адаптивный привод шахтных электровозов.// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 10. С. 294. ЕШ

— 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,

Семенчук А.С. - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск,

Волков Д.В. - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 22 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Ляхомский.