Тяговий електропривод постійного струму з підвищеною електроенергетичною ефективністю для рудникових контактних електровозів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

УДК 622-625.28.83

ТЯГОВИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ПІДВИЩЕНОЮ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНОЮ ЕФЕКТИВНІСТЮ ДЛЯ РУДНИКОВИХ КОНТАКТНИХ ЕЛЕКТРОВОЗІВ

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мельник Ольга Євгенівна

Кременчук - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем електроспоживання та енергетичного менеджменту Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Сінчук Олег Миколайович, Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, завідувач кафедри систем електроспоживання та енергетичного менеджменту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гончаров Юрій Петрович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», професор кафедри промислової та біомедичної електроніки

кандидат технічних наук, доцент Рогоза Михайло Валентинович, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ), професор кафедри систем електропостачання

Захист відбудеться " 30 " червня 2009р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.01 Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України (39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20, корпус №1, ауд. 1211).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: 39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20.

Автореферат розісланий " " 2009р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент А.В. Некрасов



АНОТАЦІЯ

Мельник О.Є. Тяговий електропривод постійного струму з підвищеною електроенергетичною ефективністю для рудникових контактних електровозів. - Рукопис. двигун комутація електровоз рудниковий

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, Кременчук, 2009.

В роботі обґрунтований підхід та розроблені критерії оцінки ефективності перспективних тягових електроприводів рудникових контактних електровозів.

Установлено, що при імпульсному живленні втрати в тягових електричних двигунах рудникових контактних електровозів при середніх швидкостях руху останніх зростають в 2...3 рази в порівнянні із втратами на постійному струмі, що створює неприпустимий перегрів двигунів при одночасному погіршенні умов комутації тягових електричних двигунів.

Спільне використання регулювання, що рекомендується, частоти комутації імпульсного перетворювача й шунтування обмоток збудження тягових електричних двигунів резистором дозволяє досягти зниження додаткових втрат у тягових двигунах рудникових електровозів у середньому в 4...7 разів.

Запропоновано спосіб керування тяговим електроприводом на підставі модифікованого методу оцінки величин потужності додаткових пульсаційних втрат за критерієм припустимої похибки для одержання диференційно - адресних їх значень в елементах конструкції тягових електричних двигунів.

Формалізовано та визначено частотні характеристики розроблених структур комбінованих фільтрів, що дозволяють оцінити їх ефективність, вибрати та обґрунтувати перспективний варіант.

Ключові слова: електротехнічна система, тяговий електропривод, перетворювач, електромагнітна сумісність.



АННОТАЦИЯ

Мельник О.Е. Тяговый электропривод постоянного тока с повышенной электроэнергетической эффективностью для рудничных контактных электровозов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Кременчугский государственный политехнический университет имени Михаила Остроградского, Кременчуг, 2009.

Диссертация посвящена повышению электроэнергетической эффективности и надежности тяговых электроприводов постоянного тока рудничных контактных электровозов.

В работе обоснован и предложен подход и разработаны критерии оценки уровней эффективности перспективных тяговых электроприводов рудничных контактных электровозов.

В результате анализа показаны пути достижения требуемой эффективности тяговых электроприводов, основными из которых являются:

- последовательное соединение тяговых электродвигателей при пуске с переходом на параллельное соединение их в длительном режиме, что позволяет снизить токовые нагрузки в питающей контактной сети и потери в системе в режиме пуска электровоза в сравнении с последовательно-параллельным соединением тяговых электродвигателей во всех режимах;

- плавное ослабление поля тяговых электродвигателей, что позволяет расширить диапазон скорости движения электровоза в режиме тяги;

- применение ШИП в якорной цепи тяговых электродвигателей для обеспечения плавного безреостатного разгона электровоза с необходимостью установки в силовой цепи тягового электропривода многоцелевого LC-фильтра для решения проблем электромагнитной совместимости;

- плавное динамическое (реостатное) торможение с отрабатыванием замедления согласно задаваемому алгоритму;

- необходимость перекрестного самовозбуждения тяговых электродвигателей в тормозном режиме, что позволит не только обеспечить высокие динамические характеристики электровоза, но и достичь меньшего числа коммутаций в схеме;

- многофункциональное применение ШИП и ЧИП методов регулирования напряжения;

- использование форсирования возбуждения тяговых электродвигателей при пуске и буксировании для повышения тяговых свойств подвижного состава;

В диссертационной работе проблемы замены контактно-резисторной системы управления тяговым электроприводом на импульсную с IGBT-модулями поставлены на первое место в иерархии других проблем. Отсюда необходимость разработки простой схемы ШИП и тягового электропривода для реализации режимов тяги, торможения, ослабления поля с учетом современных требований к защитным и динамическим характеристикам системы.

Сравнение вариантов структур тягового электропривода проведено на соответствие следующим критериям:

- требуемо высокий коэффициент полезного действия;

- высокая надежность, низкие капитальные затраты на обслуживание и ремонт, как следствие отсутствие контакторной аппаратуры, которая срабатывает под током, с исключением линейного контактора, необходимость в котором диктуется требованиями техники безопасности, минимум контактной аппаратуры, которая срабатывает редко и в обесточенном состоянии контакторов, минимум IGBT-модулей, диодов и тиристоров;

- высокие тяговые свойства - форсированием возбуждения, и обеспечение режимов ослабления поля тяговых электродвигателей, плавного пуска и разгона электровоза, резисторного и рекуперативного торможения, реверса.

Установлено, что при импульсном питании потери электрической энергии в тяговых электрических двигателях при средних скоростях движения рудничных контактных электровозов возрастают в 2...3 раза в сравнении с потерями на постоянном токе, что создает недопустимый перегрев двигателей при одновременном ухудшении условий их коммутации.

Показано, что использование импульсного регулирования при частотах коммутации преобразователя 500…1000 Гц, и шунтирование обмоток возбуждения тяговых электродвигателей резистором позволяет достичь снижения дополнительных потерь в тяговых двигателях рудничных электровозов в среднем в 4...7 раз.

Исследован и установлен новый положительный эффект при использовании предложенного форсирования соединения тяговых электродвигателей при пуске и буксовании для формирования жесткой механической характеристики в динамике тягового электропривода.

Формализованы и определены частотные характеристики разработанных структур комбинированных фильтров, которые разрешают оценить их эффективность, выбрать и обосновать перспективный вариант.

Корректность и работоспособность разработанных и приведенных в работе методов и способов подтверждена лабораторными и натурными в условиях рудников (шахт) экспериментами. Разработанный образец тягового электропривода постоянного тока прошел испытания на рудничном контактном электровозе типа К-14М в условиях Криворожского железорудного комбината (шахта «Родина», г. Кривой рог).

Ключевые слова: электротехническая система, тяговый электропривод, преобразователь, электромагнитная совместимость.



THE SUMMARY

Melnik O.E. A hauling electromechanic of direct-current is with enhanceable electroenergy efficiency for mine contact electric locomotives. - the Manuscript.

Dissertation on the competition of graduate degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.09.03 are electrical engineerings complexes and systems. - Kremenchuk Mykhaylo Ostrogradskiy State Polytechnic Univecity.

Dissertation is devoted the increase of electroenergy efficiency and reliability of hauling electromechanics of direct-current of mine contact electric locomotives.

Approach is in-process grounded and the criteria of estimation of efficiency of perspective hauling electromechanics of mine contact electric locomotives are developed.

It is set that at the impulsive feed of loss electroenergy in hauling electric engines at the middle rates of movement of mine contact electric locomotives increase in 2...3 time by comparison to losses on a direct current, that creates the impermissible overheat of engines at the simultaneous worsening of terms of their commutation.

General use of the impulsive adjusting which is recommended, at frequencies of commutation of transformer 500-1000 Hertzs, and by-passing of puttees of excitation of TED.

General use of the impulsive adjusting which is recommended, at frequencies of commutation of transformer 500-1000 Hertzs, and by-passing of puttees of excitation of TED lets to attain the decline of additional losses a resistor in the hauling engines of mine electric locomotives on the average 4...7 times.

Formalizovany and certain frequency descriptions of the developed structures of the combined filters, which let to estimate their efficiency, choose and ground a perspective variant. Dependence is well-proven between the parameters of the offered chart of filter and parasite currents with determination of rational correlations first for limitations of the second. A conduct is investigational and, on the basis of computer researches of the system: IGBT- transformer - TED is a filter, got transitional descriptions

Keywords: Electrotechnical system, the traction electric drive, the converter, electromagnetic compatibility.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Спеціальні види електровозів - рудникові (РЕ), що експлуатуються у вітчизняних шахтах, рудниках та на ряді інших підприємств з підземними видами робіт, в силу використовуваних на них неекономічних та неефективних, контактно-резисторних (КР) систем керування (СК) тяговим електроприводом (ТЕП), споживають до 10…14% електроенергії від загального обсягу підземних підприємств і потребують своєї найшвидшої заміни.

Існують розходження в поглядах як розроблювачів, так і експлуатаційників РЕ на пріоритет того або іншого типу ТЕП (змінний або постійний струми), але усі вони сходяться в одному - одним з актуальних завдань для гірничо-металургійної галузі України є розробка та впровадження в практику створення РЕ енергозберігаючого ТЕП з електроенергоефективними імпульсними контурами перетворення електричної енергії живлення тягових електродвигунів (ТЕД).

Проведений автором аналіз науково-технічної й патентної інформації не дав позитивних результатів у пошуках очікуваної за рівнем ефективності структури ТЕП, яка могла б в необхідному обсязі вирішити зазначені проблеми, а тільки в черговий раз підкреслив актуальність і необхідність розробки й дослідження нових ТЕП з високоефективними системами керування на найближчу перспективу оновлення рухомого складу рудникових контактних електровозів.

Доведено, що заміна КР систем керування ТЕП постійного струму на сучасні, дозволить зекономити близько 30…40% електроенергії на транспортування корисних копалин (КК) при одночасному вирішенні проблем підвищення надійності, довговічності та забезпечення безпеки рудникових потягів. Між тим, задача заміни КР на ефективні, якими є системи з імпульсними видами моделювання напруги живлення ТЕД, не може бути вирішеною без вирішення проблем мінімізації додаткових втрат енергії, що вносяться імпульсним модулюванням в елементи ТЕД, та електромагнітної сумісності (ЕМС) з живильною мережею.

При цьому, як свідчать дослідження, слід пам'ятати, що “копіювання” досвіду вирішення вищезгаданих задач з промислових об'єктів на шахтні (рудникові), не дасть очікуваного позитивного результату в силу основоположної різниці в експлуатації та конструюванні останніх.

Тому, вирішення завдань електроенергетичної ефективності є актуальним напрямком наукового пошуку для розвитку науково-прикладних задач синтезу систем тягових електроприводів постійного струму в перспективному напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку наукових досліджень кафедри систем електроспоживання та енергетичного менеджменту Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського і виконувалась згідно з держбюджетною темою МОН України «Розробка наукових основ створення віртуального дослідницького обладнання для навчального процесу і наукових досліджень» (№ ДР 0107U002866), де здобувач була виконавцем окремих розділів. Робота реалізує цілі державної програми розвитку машинобудування на 2006-2011 роки, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України № 516 від 18.04.2006 р.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення електроенергетичної ефективності функціонування тягового електропривода постійного струму рудникових контактних електровозів.

Для досягнення мети в роботі поставлені та розв'язані наступні завдання:

- обґрунтування підходу і формалізування критеріїв оцінки електроенергетичної ефективності та напрямків створення перспективних тягових електроприводів рудникових контактних електровозів;

- дослідження принципів та розробка методу керування тяговим електроприводом з контуром імпульсного перетворення електричної енергії в функції мінімізації вносимих додаткових пульсаційних втрат в елементи конструкції тягового електродвигуна постійного струму електротехнічного комплексу рудникових контактних електровозів;

- оцінка впливу параметричної несиметрії тягових двигунів постійного струму дводвигунного тягового електроприводу при послідовно-паралельному їх функціонуванні на тягові показники рудникового контактного електровоза;

- аналіз електромагнітних процесів та оцінка ефекту застосування комбінованих електричних фільтрів у складі систем тягового електропривода рудникового електровоза для досягнення необхідного рівня електромагнітної сумісності з живильною контактною мережею.

Об'єкт дослідження - електромагнітні процеси в тяговому електроприводі постійного струму рудникових контактних електровозів з імпульсним перетворенням електричної енергії.

Предмет дослідження - тяговий електропривод постійного струму рудникових контактних електровозів із широтно-імпульсними перетворювачами електричної енергії на базі ІGB-транзисторних модулів.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертаційної роботи засновані на складових теорії електроприводу. Для аналізу процесів електроспоживання ТЕП і розробки концепції оптимізації цього процесу використані методи чисельного вирішення диференційних рівнянь і моделювання. Для аналізу електромагнітних процесів у структурі ТЕП з імпульсними системами регулювання напруги живлення тягових двигунів постійного струму використовувся операторно-рекурентний метод аналізу й синтезу електричних кіл. Аналіз електромагнітних процесів у колах ТЕД базувався на елементах теорії електричних машин, методах математичної статистики, найменших квадратів, планування експерименту та рядів Тейлора. Для аналізу процесів у колах ТЕД використовувалися методи гармонійного аналізу, Фур'є, наближеного рішення систем диференційних і алгебраїчних рівнянь, методи математичного й фізичного моделювання. Для синтезу електричних фільтрів в комплексі ТЕП постійного струму використано метод чотириполюсника.

Наукова новизна одержаних результатів:

- набула подальшого розвитку теорія синтезу структур мультифункціональних комплектних електроприводів в напрямку розбудови нових принципів керування "перебудовуваних" багаторівневих систем імпульсного перетворення наруги живлення тягових двигунів постійного струму;

- вперше формалізовані та оцінені види втрат електричної енергії й способи їх мінімізації в складових елементах тягових двигунів постійного струму при імпульсному регулюванні напруги їх живлення; на основі відомих методів розроблено закон керування рівнем напруги живлення по мінімуму внесених додаткових втрат в елементах двигунів з адаптивним чередуванням комбінацій керування широтно-імпульсного та частотно-імпульсного способів керування;

- вперше встановлені складнопідрядні залежності зміни основних показників режимів функціонування багатодвигунного тягового електропривода рудникових контактних електровозів у функції різниці параметрів тягових двигунів та запропоновано алгоритм відбудування системи керування від цього факту;

- досліджена взаємодія й установлено новий консолідуючий ефект застосування комбінованих двухланкових фільтрів у складі тягового електропривода постійного струму з імпульсним перетворенням напруги для поліпшення гармонійного складу напруги та струму на вході й виході системи ТЕП, отримані нові аналітичні вирази, що визначають оптимальні параметри фільтрів для мінімізації радіоперешкод, які генеруються ШІП в контактну мережу, визначені умови захисту електроустаткування від впливів шостої гармоніки струму, для мінімізації якої розроблені нові схемотехнічні варіанти фільтрів.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю постановки й теоретичних положень розв'язуваних завдань, використанням вихідних даних, підтверджуваних у реальних умовах; обґрунтованістю прийнятих припущень, коректністю розроблених математичних і фізичних моделей процесів, які відповідають реальним, коректним використанням методів теоретичної електротехніки й математичного аналізу відповідно до завдань досліджень.

Практичне значення одержаних результатів. Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки дозволили:

- розробити нові структури тягового електроприводу й контуру перетворення електричної енергії, на підставі яких запропоновано провести модернізацію рудникових контактних електровозів з мінімальними витратами й максимальною ефективністю;

- розробити способи та схемотехнічні рішення з мінімізації додаткових втрат електричної енергії в елементах тягового електродвигуна постійного струму при імпульсному регулюванні напруги їх живлення;

- одержати аналітичні вирази для визначення значень струмів і напруг у тяговому електроприводі постійного струму для розрахунку та вибору номінальних параметрів елементів перетворювача й електричного фільтра; розробити програми для ПЕВМ для розрахунку електромагнітних процесів в тяговому електродвигуні постійного струму;

- розробити та випробувати на Криворізькому залізорудному комбінаті експериментальний зразок рудникового контактного електровозу типу К-14МТ з ТЕП постійного струму на базі IGBT-перетворювача та мікропроцесорної системи керування;

- передати результати досліджень для практичної реалізації спеціалізованим підприємствам ВАТ «Електромашина» (м. Харків) і ДП НПК «Електровозобудування» (м. Дніпропетровськ), які випускають електроустаткування рудникових контактних електровозів, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота базується на результатах науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, виконаних за участю автора в Кременчуцькому державному політехнічному університеті імені Михайла Остроградського.

Наукові положення й результати, викладені в дисертаційній роботі, отримані автором особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать:

- теоретичні дослідження залежності й впливу зміни параметрів тягових двигунів у функції гармонійного складу живильного струму й напруги [1,5,6,8];

- побудова математичних моделей для дослідження й визначення перехідних характеристик фільтрів і визначення раціональних співвідношень їх параметрів [2,4];

- розробка математичної моделі системи взаємодіючих елементів: контактний провід - фільтр - перетворювач - тягові двигуни - рейки, на якій досліджені квазіперехідні системи всього комплексу ТЕП [3,11];

- розробка методики підходу до створення архітектури будови високоефективного ТЕП з імпульсним перетворювачем напруги живлення ТЕД рудникових контактних електровозів [7,10,12,13,14].

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові й практичні результати роботи доповідалися на: науково-технічній конференції з міжнародною участю: "Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика", м. Алушта, 2006, 2007 р.р.; міжнародній науково-технічній конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації", м. Кременчук, 2006, 2008 р.р.; міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми розвитку рейкового транспорту", м. Ялта, 2007, 2008 р.р.; міжнародній науково-технічній конференції "Силова електроніка й енергоефективність", м. Алушта, 2007, 2008 р.р.;

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 14 наукових працях, у тому числі 9 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України як фахові, 1 навчальний посібник та 1 патент України на корисну модель.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Повний обсяг дисертації складає 258 сторінок друкованого тексту і містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел та сім додатків. Основна частина викладена на 162 сторінках. Список використаних джерел складає 123 найменування і займає 13 сторінок. Дисертація містить 97 рисунків та 7 таблиць, з яких 31 рисунок повністю займає 20 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність та своєчасність теми, зв'язок з науковими програмами і планами, сформульовані мета і задачі дослідження, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, наведені відомості про їх апробацію, публікації та впровадження.

У першому розділі проаналізовано складові ефективності функціонування внутрішньошахтного транспорту (ВШТ) вітчизняних шахт, рудників взагалі та електроенергетичної їх складової зокрема. Показано одіозність реальних рівнів зростання енергозатрат на транспортування корисних копалин (КК). Так, за останні п'ять років частка електричної енергії, яка витрачається на доставку КК від місця видобутку до підйому на поверхню зросла з 9,2% до 14,28%, тобто в 1,55 разів. Основною причиною такої ситуації є застосування застарілих електроенергонеефективних контакторно-резисторних систем керування тяговими електроприводами електровозів з їх комплексом технічних вад, та збільшення відстаней транспортування КК. Для розробки напрямків та втілення в практику реалізації очікуваних за рівнем електроенергетичної ефективності систем ТЕП запропоновано тактику підходу до розробки критеріїв електроенергетичної ефективності останніх згідно з сучасними вимогами національної стратегії енергозбереження.

Оцінено та доведено, що основними впливовими факторами на вибір типу та структури електромеханічної системи РЕ є технологія ведення гірничих робіт, умови експлуатації, та обсяги грузоперевезень ВШТ.

Згідно з оцінкою всіх впливаючих факторів формалізовано критерії оцінки ефективності систем ТЕП.

Проаналізовано, що електроенергетична ефективність сучасних структур ТЕП з імпульсними системами керування напругою живлення ТЕД РЕ оцінюється комплексом рівня вносимих імпульсним регулюванням додаткових втрат електричної енергії в кола ТЕД та живильну контактну мережу.

Згідно з аналізом, задача заміни контакторно-резисторної системи керування ТЕП постійного струму на імпульсну з IGBТ-модулями поставлена на перше місце в ієрархії інших проблем. Звідси необхідність розробки надійної структури електропривода шляхом сполучення функцій регулювання і адаптивного формування структур ТЕП для реалізації режимів тяги, гальмування, ослаблення електромагнітного поля на основі певнооцінюваних тягових і гальмівних характеристик електромеханічної системи електровоза.

Другий розділ присвячено розробці закону управління ТЕП постійного струму рудникового контактного електровозу за критерієм мінімуму втрат енергії в ТЕД, що вносяться при імпульсному регулюванні напруги їх живлення.

У силу складності оцінки електромагнітних процесів в ТЕД при імпульсному регулюванні, запропоновано метод досліджень, побудований таким чином, що на першому етапі оцінювались електроенергетичні втрати в обмотках якоря тягових двигунів при традиційному живленні постійним струмом, на другому - додаткові втрати в ТЕД при імпульсному регулюванні. При цьому досліджено доцільність врахування певнооцінюваного числа гармонік та проведена формалізація додаткових пульсаційних втрат від них в тягових двигунах.

Додаткові втрати від підвищення діючого струму.

Ці втрати враховуються тільки для ланцюга якоря, тому що пульсація струму в ланцюзі головних полюсів незначна. Розрахунок цього виду втрат:

(1)

Розглянуті втрати можуть бути представлені в такий спосіб:

Після перетворення одержимо:

(3)

де



Втрати в провідниках обмотки якоря від вихрових струмів, наведених пульсуючими магнітними потоками.

Ці втрати створюються пульсуючими магнітними полями й мають місце в усіх обмотках машини. З огляду на положення про необхідність обліку певної кількості гармонік, можна записати:

; (4)

; (5)

. (6)

де - коефіцієнт збільшення активного опору обмотки; m - число шарів провідників у пазу якоря; л - відношення довжин лобової й пазової частин обмотки; о = бh - наведена висота провідника в пазу якоря.

Втрати в магнітному ланцюзі головних полюсів тягових електродвигунів від пульсації потоку.

Цей вид втрат з урахуванням необхідної кількості гармонік струму може бути розрахований у такий спосіб:

; (7)

; (8)

(9)

(10)

. (11)



де - коефіцієнти, які обчислюються з формул (3), (5); - число пар полюсів машини; Z_r - модуль магнітного опору; - аргумент магнітного опору; Ф_mк - амплітуда -ї гармоніки магнітного потоку.

Аналогічно отримані узагальнені аналітичні вирази для визначення й аналізу втрат при імпульсному регулюванні напруги живлення ТЕД. Чисельні показники втрат, розраховані за даними формулами, зокрема , для тягового двигуна типу ДТН-45 становлять: Р₁ = 6...7%; Р₂ = 8...9%; Р₃ = 0,7...0,8%.

Для зменшення втрат потужності в ТЕД, що вносяться імпульсним регулюванням напруги їх живлення, запропоновано комбінований спосіб керування, який полягає у тому, що одночасно змінюють частоту й шпаруватість імпульсів керування імпульсного перетворювача. При цьому мікропроцесорна система керування вимірює величину змінної складової струму тягового двигуна, порівнює її із заданою, й за результатами порівняння формує напругу керування частотою модуляції імпульсного перетворювача (ІП) напруги живлення.

У цьому випадку для вибору рівня напруги керування U_кер(t) можна записати

(12)

;

,

де - напруга, пропорційна струму двигуна, В; К₁, К₂, К₃ - коефіцієнти пропорційності; - граничне значення напруги порівняння, В.

У тому випадку, коли початковий рівень змінної складової струму двигуна перебуває на високому рівні (наприклад, при дуже низькій початковій частоті комутації), величину граничної напруги доцільно змінювати в процесі регулювання з метою мінімізації величини додаткових втрат у двигуні. Алгоритм обчислення керуючого впливу в цьому випадку буде мати вигляд:

; (13)

,

де К₄ - коефіцієнт пропорційності.

Пропонований алгоритм дозволяє реалізувати спосіб керування, при якому відносний рівень змінної складової пульсуючого струму залишиться на заданому рівні.

Цей спосіб регулювання частоти імпульсного перетворювача є ефективним засобом зниження втрат у тягових двигунах, однак не є достатнім, тому що величина втрат залишається значною. На рис.1 наведені залежності складової потужності від частоти, які показують, що, навіть на частоті 500 Гц, додаткові втрати від змінної складової струму становлять 2,1 кВт або 0,8 від втрат на постійному струмі в цьому режимі. Тобто, сумарні втрати в тяговому двигуні зростають в 1,8 рази, що, безумовно, неприпустимо. Це ставить завдання додаткового пошуку інших засобів зниження пульсаційних втрат.

У зв'язку з цим, практичний інтерес представляє аналіз шунтування обмоток збудження для зменшення в них змінної складової струму. В роботі проаналізовано електромагнітні процеси в ТЕД при шунтуванні обмоток головних і додаткових полюсів активним опором або двома елементами - діодом і опором. Показано, що такі шунтування викликають погіршення комутації, й для тягових двигунів рудникових електровозів взагалі неприйнятні. Шунтування ж тільки обмоток головних полюсів, навпроти, поліпшує умови комутації.

У ході досліджень аналізувалися також варіанти шунтування обмоток головних полюсів ТЕД діодом, опором при різних варіантах їх сполучень та з різними параметрами. Експериментальна перевірка показала, що найбільш доцільне шунтування опором. У цьому випадку одночасно знижуються втрати у двигуні й поліпшуються умови комутації.

Шунтування практично не змінює механічні характеристики двигунів, тому що через шунтуючий опір відгалужується лише близько 2% постійної складової струму обмотки збудження.

Проведені дослідження показують, що застосування шунтування обмотки збудження зазначеними опорами дозволяє зменшити додаткові втрати у двигуні від змінної складової в 2...4 рази, а повні втрати в середньому в 1,5 рази.

- повна активна потужність, кВт; - втрати потужності, кВт;

1 - при постійному струмі (резисторне регулювання);

2 - при пульсуючому струмі (імпульсне регулювання);

3 - при імпульсному регулюванні напруги живлення й шунтуванні обмотки збудження резистором (R = 1,5 Ом).

Розроблений комбінований спосіб дозволяє досягти істотного зниження пульсаційних втрат у тягових двигунах (в 4...7 разів) без використання спеціальних додаткових пристроїв, що важливо для задоволення масогабаритних вимог до комплекту ТЕП в умовах РЕ.

У третьому розділі розглянуті питання функціонування електромеханічних комплексів рудникових контактних електровозів у функції коливань параметрів ТЕД та діаметрів колісних пар.

Першим кроком у тактиці проведення досліджень була оцінка рівнів відхилень реальних параметрів ТЕД постійного струму, що експлуатуються, від їх паспортних значень.

Незважаючи на те, що різними "стандартами" граничні відхилення реальних параметрів ТЕД від їхніх паспортних значень регламентуються, у 88…93% випадків причиною виникнення аварійних режимів контактних електровозів є саме такі чи подібні відхилення, які перевищують регламентовані значення.

Більш того, як показали дослідження, частоти обертання ТЕД в експлуатаційних режимах у 18…22% випадках перевищують на 15…25% їх номінальні значення.

Всі ці аномальні моменти впливають на розподіл струмів та напруг між двигунами тягових модулів і, в кінцевому їх значенні, на рівень тяги локомотива, а саме на його зниження, а також сприяють появі перенапруги одного та недовантаженню за струмом другого модуля з відповідними одіозними наслідками. Встановлено, що струморозподілення в паралельних ланцюгах ТЕП носить випадковий характер з тенденцією збільшення різниці струмів при зростанні навантажень.

При цьому найбільш впливовими на струморозподілення в двигунах ТЕП є неадекватності характеристик останніх, у результаті чого різниця струмів паралельно функціонуючих ТЕД може сягати 17%.

Установлено також, що в результаті конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів, максимальна нерівномірність струморозподілення має місце в статичних режимах і може сягати 32%.

Для аналізу режимів роботи ТЕД в обох вищевикладених варіантах розглянуте й оцінене протікання електромагнітних процесів у типових для РЕ тягових двигунах ДТН-45(46) при послідовному й паралельному їхньому з'єднанні в комплексі ТЕП.

Аналіз свідчить, що у сталому режимі, при паралельному з'єднанні ТЕД, зміна опору якоря призводить до відхилення струму якоря від номіналу лише до 3%. Однак зміна потоку збудження двигунів призводить до істотного відхилення струмів від номіналу до 20%, тобто двигун виявляється перевантаженим за струмом. При послідовному з'єднанні двигунів і зміні потоку, активного опору й індуктивності можливий перерозподіл напруг до 20%.

Четвертий розділ присвячено розробці структури та вибору параметрів контуру перетворення електричної енергії в ТЕП з урахуванням специфіки режимів функціонування рудникових контактних електровозів.

Відзначимо лише, що за показником надійності розроблена структура більш ніж у 2 рази перевершує свій прототип, по сумарних втратах у напівпровідникових приладах - більш ніж в 3 рази при більш високому показнику ККД.

Аналіз отриманих для різних параметрів і схем фільтрів осцилограм дозволив авторові констатувати ряд основних висновків. Так, у варіанті "прямого" включення фільтра під напругу в ньому відсутні надструми й наднапруження, однак, зарядний струм досить великий. Щоб уникнути перевантажень фільтрових конденсаторів зарядними імпульсами струмів при повторних включеннях - відключеннях ТЕП до живильної контактної мережі - у цьому випадку доцільне застосування резисторного ланцюга попереднього заряду фільтра. В аналізованих варіантах розглянуто спектр теоретично можливих співвідношень параметрів елементів структур фільтра. При розробці реальної структури врахований досвід експлуатації існуючих фільтрів і внесені корективи в розрахункові співвідношення їх параметрів.

В п'ятому розділі наведено опис дослідницького стенда та результати отриманих експериментальних досліджень. Наведено порівняння результатів теоретичних досліджень та експериментів. Показана достатня сходимість отриманих результатів. Наведено дані про експериментальний зразок ТЕП постійного струму та можливості його втілення в практику створення нових та модернізацію існуючих вітчизняних рудникових контактних електровозів.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язане наукове завдання - підвищення електроенергетичної ефективності тягових електроприводів постійного струму рудникових електровозів, що має істотне значення для електротехнічної галузі науки.

За результатами проведених досліджень отримані наступні висновки.

1. Підтверджена й доповнена обґрунтуваннями з позицій формалізованих критеріїв оцінка техніко-економічних показників функціонування контактно-резисторних і, відомих по теоретичних дослідженнях на перспективу реалізації, потенційно ефективних імпульсних систем керування тяговим електроприводом постійного струму рудникових контактних електровозів, висвітила негативний баланс як перших, так і других, у напрямку рівня їхньої відповідності комплексу сучасних вимог.

Запропонована тактика підходу, що припускає першим кроком при виборі критерію ефективності диференційовану оцінку очікувано можливого рівня внесених імпульсним перетворенням напруги додаткових втрат електричної енергії в елементах тягових двигунів і живильній контактній мережі, дозволила, узагальнивши принципи імпульсних методів модуляції, оцінити необхідність мінімізації одіозно впливаючих факторів і визначити напрямок синтезу тягових електроприводів постійного струму з електроенергоефективним за структурою й законом керування контуром перетворення електричної енергії всього електротехнічного комплексу рудникових контактних електровозів.

2. Синтез сучасних структур тягових електричних приводів для умов рудникових контактних електровозів з контуром імпульсного перетворення електричної енергії з необхідним рівнем ефективності живлення тягових електричних двигунів можливий при реалізації основних критеріїв:

- мінімізації електроенергетичних втрат (потужності, енергії) у самій технології процесу формування рівня напруги живлення на затискачах тягових електричних двигунів для регулювання частоти їхнього обертання;

- мінімізації втрат електричної енергії в елементах тягового електропривода, у тому числі в контурі перетворення й тягових електричних двигунах;

- поліпшення ЕМС контуру перетворення електричної енергії тягового електропривода з живильною мережею й навантаженням - тяговими двигунами.

3. Обґрунтований і запропонований модернізований похід до аналізу й оцінки додаткових пульсаційних втрат електричної енергії в елементах тягових двигунів при імпульсному регулюванні рівня навантаження їх живлення, який є подальшим розвитком методів спектрального аналізу, дозволяє:

- одержати аналітичні вирази, що більш зручні як для кількісної, так і для якісної оцінки імпульсних втрат;

- визначити рівень мінімально внесених втрат у функції частоти комутації імпульсного перетворювача;

- створити умови для розробки способів зменшення додаткових втрат в елементах тягових електричних двигунів.

4. Розроблений закон зменшення додаткових імпульсних втрат електричної енергії у тягових електричних двигунах при адаптивному в функції рівня втрат регулюванні частоти комутації імпульсного перетворювача дозволить обмежити на мінімально припустимому значенні рівень внесених втрат у всьому діапазоні регулювання частоти обертання тягових двигунів.

Запропоновані і реалізовані способи мінімізації втрат електричної енергії дозволяють при комплексному використанні досягти в найгірших режимах семиразового зниження внесених додаткових імпульсних втрат в елементах тягових електричних двигунів.

5. Аналіз впливу та взаємовпливу параметричної несиметрії, що має місце в електричних двигунах постійного струму на узагальнені тягові характеристики всього дводвигунного електромеханічного комплексу дозволив установити можливі припустимі рівні їхніх відхилень.

Розроблене структурне рішення тягового електропривода, що є комбінацією функціонування при послідовно-паралельному з'єднанні двигунів при роботі й русі з перехресним самозбудженням при гальмуванні рудникового електровоза на основі багатоцільових широтно-імпульсних перетворювачів з ІGB-транзисторними модулями в ланцюгах обмоток якоря й збудження двигунів, дозволило використати дворівневе регулювання напруги в системі, плавний розгін електровозу, плавне ослаблення поля ТЕД, форсування збудження останніх при пуску й буксуванні, і тим самим забезпечити необхідний діапазон регулювання швидкості в режимі тяги, резисторне гальмування, автоматизувати процес руху й захисту електроустаткування, досягти високих тягово-енергетичних показників.

Розроблено та рекомендовано для втілення при синтезі структур тягових електричних приводів спільне використання способів ШІМ і ЧІМ й шунтування обмотки збудження тягових електричних двигунів резистором дозволяє досягти зниження додаткових пульсаційних втрат енергії в тягових двигунах в 4...7 разів.

6. Виконані теоретичні дослідження проблем, пов'язаних з генеруванням широтно-імпульсним перетворювачем кондуктивних і індустріальних радіоперешкод у контактну мережу дозволило розробити спосіб захисту електроустаткування рудникових контактних електровозів від впливу шостої гармоніки струму в напрузі живильної контактної мережі й наднапруг.

7. Синтезована структура фільтра у вигляді комбінації функціональних ланок та запропонована концепція поділу функцій ланок фільтра дозволила обмежитися двома складовими - базова Г-подібна, що захищає контактну мережу від кондуктивних і індустріальних радіоперешкод, і частотна ланка, що захищає електроустаткування електровоза від шостої гармоніки струму.

Установлено, що комбінований двухланковий фільтр, доповнений обмежувачем напруги й пристроєм контролю й реєстрації перенапруг, забезпечує рішення проблем захисту контактної мережі й елементів електропривода від негативних наслідків їхньої взаємодії. Так, зокрема, обмеження шостої гармоніки струму досягнуто по напрузі вдвічі, по струму - в 8 разів при практично ідеальній фільтрації перешкод на частоті модуляції.

8. Розроблена макромодель і виконані комп'ютерні дослідження моделі "живильна контактна мережа - вхідний фільтр - імпульсний перетворювач - вихідний фільтр - тяговий електродвигун" підтвердили аналітичні виклади поводження системи в перехідних режимах.

9. Дослідницький зразок тягових електричних приводів для рудникових контактних електровозів пройшов комплекс лабораторних і попередніх випробувань. Результати теоретичних і експериментальних досліджень і нові патентозахищені схемотехнічні рішення використані в НДР Криворізького технічного університету й передані ДП НПК "Електровозобудування" (м. Дніпропетровськ) та ВАТ “Електромашина” (м. Харків) для освоєння випуску нових типів електрифікованого транспорту для шахт і рудників. Отримано соціальний і економічний ефект в розмірі 11,7 тис. грн. в рік на один комплект, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Результати досліджень запропоновані й використовуються в навчальному процесі Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Синчук О.Н. Архитектура строения тягового электропривода постоянного тока с IGBT-преобразователем для рудничных контактных электровозов / Синчук О.Н., Мельник О.Е. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. - 2008. - Частина 2. - С. 85-89.

2. Хараджян А.В. Анализ двухдвигательного тягового електропривода / Хараджян А.В., Мельник О.Е., Ключка А.С. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2007(47). - №6. Частина 2. - С. 25-29.

3. Синчук О.Н. Проблемы и пути их преодоления по защите каналов связи и автоматики от радиопомех, генерируемых ШИП тягового электропривода / Синчук О.Н, Лозовой Д.Ю, Мельник О.Е, Сушко Д.Л. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008(48). - №1. Частина 1. - С. 16-18.

4. Синчук О.Н. Тяговый электропривод рудничных электровозов с ШИП напряжения и сопутствующие проблемы электромагнитной совместимостей / Синчук О.Н, Мельник О.Е, Черная В.О, Лозовой Д.И. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Проблеми сучасної електротехніки. - 2008. - Частина 4. - С. 93-95.

5. Синчук О.Н. К решению проблемы минимизации пульсационных потерь в тяговых двигателях рудничных электровозов при импульсном управлении / Синчук О.Н., Мельник О.Е, Черная В.О, Гальченко Н.А. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2008(51). - №4. Частина 1. - С. 25-27.

6. Синчук О.Н. Математическое моделирование добавочных потерь энергии в тяговых двигателях постоянного тока при импульсном регулировании напряжения / Синчук О.Н, Мельник О.Е. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Силова електроніка та енергоефективність. - 2008. - Частина 2. - С. 130-132.

7. Синчук О.Н. Электроэнергоэффективный тяговый электропривод постоянного тока рудничных контактных электровозов / Синчук О.Н., Мельник О.Е., Устенко А.В., Пасько О.В., Сушко Д.Л. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім.. Володимира Даля. Технічні науки. - 2008. - №5(123). Частина 2. - С. 28-32. - (Серія «Транспорт»).

8. Синчук О.Н. Экспериментальная оценка потерь электрической энергии в тяговых двигателях типа ЭТ-45(46) при импульсном регулировании напряжения питания / Синчук О.Н., Мельник О.Е., Черная В.О. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2007(47). - №6. Частина 2. - С. 46-50.

9. Мельник О.Е. К вопросу о структуре тягового электропривода рудничного контактного электровоза // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, імені Михайла Остроградського. - 2008(49). - №2. Частина 2. - С. 21-25.

10. Синчук О.Н. К вопросу выбора типа и системы управления тяговым электроприводом рудничных электровозов / Синчук О.Н., Ляпота К. П., Мельник О.Е, Гузов Э.С. // Щоквартальний науково-виробничий журнал. Електротехнічні i енергозберігаючі системи. - 2007(1). - № 1. - С. 27-31.

11. Синчук О.Н. Тяговый электропривод рудничных электровозов с ШИМ напряжения и соответствующие проблемы электромагнитной совместимости / Синчук О.Н., Чернышев А.А., Лозовой Д.Ю., Мельник О.Е. // Щоквартальний науково-виробничий журнал. Електротехнічні і енергозберігаючі системи. - 2007. - №2. - С. 34-35.

12. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии в структурах электроприводов. Схемотехника и принципы управления: Учебное пособие / [Синчук И.О., Чернышев А.А., Киба И.И., Пасько О.В., Ключка О.Е., Мельник О.Е.]; под ред. Синчука О.Н. - Кременчук: ПП Щербатих О.В., 2008. - 88с.

13. Синчук О.Н. Тяговый электропривод рудничных электровозов с ШИМ напряжения и соответствующие проблемы электромагнитной совместимости / Синчук О.Н., Мельник О.Е, Черная В.О. // Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Збірник наукових праць VI Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів у м. Кременчук. 2-4 квітня 2008р. - Кременчук, 2008. - С. 93-94.

14. Пат. 10585 Україна. Тяговий електропривод постійного струму транспортного засобу: Пат. 10585, МПК (19) UА 2005 4750 (11) 10585(51)7В61 С9/24 / Сінчук О.М., Лозовой Д.Ю., Мельник О.Є., Удовенко О.О. 15.11.2005. Бюл. №11.

Размещено на Allbest.ru

...