Тяговий частотно-регульований асинхронний електропривод рудникових контактних електровозів

Размещено на http://allbest.ru

11

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 622-625.28-83

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЯГОВИЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛЬОВАНИЙ АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД РУДНИКОВИХ КОНТАКТНИХ ЕЛЕКТРОВОЗІВ

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Сінчук Ігор Олегович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України, м. Кременчук

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Чорний Олексій Петрович, Кременчуцький державний політехнічний університет імені Михайла Остроградського, директор Інституту електромеханіки, енергозбереження і комп'ютерних технологій

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Жуйков Валерій Якович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», декан факультету електроніки

доктор технічних наук, професор Випанасенко Станіслав Іванович, Національний гірничий університет, професор кафедри систем електропостачання

Захист відбудеться " 28 " травня 2009 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

Автореферат розісланий " 15 " квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиО.В. Осичев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка та втілення в практику вітчизняного рудникового (шахтного) електровозобудування сучасних електроенергоефективних видів тягових електроприводів обумовлюється двоєдиною проблемою: ефективного використання електричної енергії (ЕЕ) гірничою галуззю - типовим представником найбільш енергоємних виробництв, і необхідністю зменшення собівартості видобуваємих корисних копалин (КК) - головного джерела наповнення ВВП і валютних надходжень в Україну.

Більш ніж 10% загального обсягу електроспоживання підземними підприємствами лягає на електровозну відкатку - основний вид внутрішньошахтного транспорту (ВШТ) по доставці руди та вугілля від місця видобутку до підйому на земну поверхню.

В той же час, міжнародні стандарти регламентують цей показник на рівні 5,6%, що майже вдвічі менше реальних показників вітчизняних підприємств.

Аналіз стану електроспоживання ВШТ показує, що причиною такого явища є збільшення відстаней транспортування КК, згідно з технологією видобутку корисних копалин підземним способом, та, що головне, використання електроенерго неефективних контакторно-резисторних тягових електроприводів (ТЕП).

Пріоритетним напрямком вирішення цієї проблеми постає розробка та втілення в практику вітчизняного рудникового електровозобудування ТЕП змінного струму на основі IGBT-інверторів та тягових асинхронних двигунів (ТАД) з к.з. ротором.

Разом з тим, при формуванні тези актуальності розв'язуваної наукової задачі, необхідно пам'ятати, що «копіювання» навіть в «першому наближенні» структур систем ТЕП, що позитивно проявили себе в інших видах електромеханічних систем, для умов шахт незастосовно в силу існуючих основоположних функціональних і експлуатаційних розбіжностей, котрі в більшості своїй можна характеризувати як причиннонаслідкові збудники транзитного переходу системи ТЕП від штатного до нештатного, через так званий, псевдоаварійний режим функціонування

Наведені міркування дозволяють стверджувати про актуальність та необхідність проведення наукових досліджень в аналізуємому напрямку та вирішення завдань по розробці ТЕП контактних електровозів з очікуваним рівнем електроенергетичної ефективності, і функціонально захищеними від небажано збуджуючих суто для шахтних умов факторів, що і складає напрямок досліджень дисертаційної роботи.

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

Мета і завдання дослідження: Метою дисертаційної роботи є підвищення рівня реалізації електроенергетичного потенціалу, стійкості функціонування та електробезпеки тягового електропривода змінного струму рудникових контактних електровозів з асинхронними електричними двигунами і IGB- інверторами.

Поставлена мета визначила наступні наукові завдання:

- аналізу, оцінки та обґрунтування рівнів впливових факторів і розробки закону керування тяговим електроприводом по мінімуму рейсового електроенергоспоживання в координатах сучасних вимог до систем керування рудниковими контактними електровозами;

- дослідження статичних і динамічних режимів, встановлення залежностей режимів функціонування багатодвигунового електромеханічного комплексу рудникового електровоза в функції існуючої, як факт, параметричної несиметрії тягових асинхронних двигунів;

- розробки принципів побудови систем керування асинхронним тяговим електроприводом з необхідним рівнем адаптивності підтримки частоти обертання електричних двигунів при скиданні (набросі) навантаження одного з тягових модулів двохдвигунового електромеханічного комплексу рудникового контактного електровоза;

- дослідження, класифікації й розробки комплексу захистів від псевдо- і аварійних режимів роботи тягового й допоміжного електроустаткування рудникових контактних електровозів з контуром імпульсного регулювання рівня напруги живлення тягових асинхронних двигунів.

Об'єкт дослідження - електромагнітні і електроенергетичні процеси в тяговому електроприводі рудникових контактних електровозів з IGBТ- інверторами та асинхронними двигунами з к.з. ротором.

Предмет дослідження - тяговий електропривод рудникових контактних електровозів з імпульсними системами перетворення електричної енергії й асинхронними двигунами з к. з. ротором.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертаційної роботи засновані на складових теорії тягових електроприводів змінного струму. Для аналізу процесів електроспоживання тяговим електроприводом і розробки концепції оптимізації даного процесу використані методи чисельного рішення диференціальних рівнянь і моделювання. Для аналізу електромагнітних процесів у структурі ТЕП з імпульсними системами регулювання напруги живлення асинхронних двигунів використовувся операторно-рекурентний метод аналізу й синтезу електричних ланцюгів. Аналіз електромагнітних процесів у ланцюгах ТАД базувався на елементах теорії електричних машин, методах найменших квадратів, Гаусса-Жордана, Ейлера, Адамса, формулі Клосса. Для аналізу процесів у ланцюгах ТЕД при статичних динамічних режимах використовувалися методи гармонійного аналізу Фур'є, наближеного рішення систем диференціальних і алгебраїчних рівнянь, теорії мереж Петрі, методи математичного й фізичного моделювання. електровозний транспорт асинхронний

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше, з урахуванням специфіки внутрішньошахтного транспорту, в комплексі формалізованих факторів впливу, на основі отриманих аналітичних рівнянь, розроблено закон керування тяговим асинхронним електроприводом по мінімуму рейсового електроспоживання рудниковими контактними електровозами;

- встановлено як перехідні до аварійного стану, рівні параметричної несиметрії тягових асинхронних модулів, паралельно функціонуючих в комплексі двохдвигунового електропривода, та запропоновано метод локального вирівнювання навантажень до критично допустимих значень системою керування рудниковим електровозом;

- отримала подальший розвиток теорія мереж Петрі з отриманням позитивного ефекту в напрямку аналіза та моделювання можливих псевдо- і аварійних ситуацій тягових електроприводів, що дозволило вперше сконструювати та реалізувати комплексну структуру системи захисту електрообладнання рудникового контактного електровоза від нештатних режимів роботи;

- досліджено, та вперше розроблено й реалізовано принцип побудови системи керування тяговим електроприводом змінного струму з адаптивною у часі підтримкою стабільності частоти обертання асинхронних двигунів у функції тривалості порушення контакту: струмоприймач електровоза - контактна мережа.

Практичне значення одержаних результатів у галузі створення електроенергоефективних тягових електроприводів дозволило:

- створити, випробувати й впровадити на шахті «Батьківщина» ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат» дослідний зразок тягового асинхронного електропривода рудникового контактного електровоза з IGBT- інвертором;

- розробити програми керування тяговим електроприводом рудникових електровозів з мікропроцесорною системою керування на базі IGBТ- інверторів і асинхронних двигунів;

- розробити схемотехнічні рішення комплексу захистів від аварійних режимів в тяговому електроприводі і алгоритми керування ними;

- втілити результати досліджень в практику реалізації випуску нових видів електроенергоефективних тягових електроприводів на спеціалізованих підприємствах по випуску електротехнічних комплексів для рудникових електровозів в ТОВ «Торговий дім «Електричні машини» (м. Харків) і ДП «НВК Електровозобудування» (м. Дніпропетровськ).

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, що викладені в дисертаційній роботі, отримані здобувачем особисто. Серед них:

- тактика підходу до аналізу та синтезу структури тягового електропривода змінного струму з IGBТ- інверторами і асинхронними тяговими двигунами для рудникових контактних електровозів;

- теоретичні дослідження електромагнітних процесів в ланцюгах тягового електропривода рудникового контактного електровозу;

- синтез математичної моделі тягового асинхронного двигуна для дослідження статичних і динамічних режимів і розробка способу вирівнювання навантажень між тяговими модулями двохдвигунового електропривода рудникового контактного електровоза;

- теоретичні аспекти класифікації псевдо- та аварійних режимів функціонування, розробка математичних моделей на базі теорії ланцюгів Петрі для досліджень тягових електроприводів з автономними інверторами напруги;

- розробка схемотехнічних рішень тягових електроприводів рудникових контактних електровозів та способів захисту електрообладнання від аварійних режимів функціонування;

- одержання аналітичних розрахункових співвідношень параметрів системи АІН-ТАД.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічній конференції з міжнародною участю «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія та практика» (м. Алушта, 2004-2005р.; м. Одеса, 2006р.; с.м.т. Миколаївка, 2007-2008 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації” (м. Кременчук, 2004-2007р.); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (м. Луганськ, 2003-2008р.); міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривій Ріг, 2004р.); науково-технічній конференції “Проблеми електромеханічних систем у гірничо-металургійному комплексі” (м. Дніпропетровськ, 2004р.); науково-технічній конференції з міжнародною участю: «Електромашинобудування й електроустаткування» (м. Одеса, 2004р.); міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка й енергоефективність” (м. Алушта, 2004-2008р.); всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців «Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації» (м. Кременчук, 2008 р.); Х міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми сучасної електротехніки» (м. Київ, 2008р.).

Публікації. Основні матеріалали дисертаційної роботи опубліковані у 21 науковій праці, з них 1 монографія, 1 навчальний посібник, 15 статей у фахових виданнях ВАК України, 1 стаття в матеріалах конференції, 2 патенти України на корисну модель та промисловий зразок, 1 патент Російської Федерації на корисну модель.

Структура й об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і 9 додатків. Повний обсяг дисертації становить 259 сторінок, з них 98 ілюстрацій по тексту, 31 ілюстрація на 15 сторінках; 21 таблиця по тексту; 9 додатків на 73 сторінках та 110 найменувань використаних літературних джерел на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову новизну та практичну цінність роботи, зв'язок теми дисертаційної роботи з науковими програмами та планами НДР, викладено аналіз проблеми, сформульовано мету та наукові задачі, що вирішувались для досягнення поставленої мети.

У першому розділі виконані дослідження в напрямку превентивної оцінки рівня електроспоживання рудниковими електровозами в контексті загальних обсягів, доведено, що ріст рівня споживання електричної енергії на доставку корисних копалин від міста видобутку до підйому на поверхність диктується технологією ведення гірничих робіт та типом ТЕП рудникових контактних електровозів.

Оцінені доцільність та рівень можливості оптимізації тягових та гальмівних режимів роботи тягового електроприводу рудникового контактного електровозу при переміщенні останнього по підземним магістралям.

Проте, в результаті аналізу реальних умов, доведено, що найбільш вагомими в комплексі максимально впливаючих факторів є такі, як стан колії, рівень її розгалудження, забруднення, натяг контактного проводу та інші суб'єктивні та об'єктивні фактори.

Вихідним моментом конструювання математичної моделі є енергетична залежність

 ,(1)

де - енергія, витрачена на рух електровозу; - потужність, споживана допоміжними пристроями електровозу; - потужність, що витрачається на рух потягу.

Вплив окремих параметрів на загальні витрати енергії

,(2)

де - час рейсу; - маса потягу; - коефіцієнт обертових мас; - прискорення; - швидкість електровозу; - сумарна сила опору руху.

Після перетворень отримаємо

,(3)

де - коефіцієнт зчеплення колес електровозу з рейкою.

На основі даних виразів розроблена програма для мікропроцесора системи керування ТЕП, котра реалізує алгоритм керування рухом електровозу по оптимуму енерговитрат. В порівнянні з існуючими (неоптимізованими) режимами ТЕП це дозволить економити 10-15% електричної енергії.

У другому розділі проведені дослідження статичних і динамічних режимів роботи ТЕП і запропоновані способи вирівнювання навантажень ТАД дводвигунного електроприводу змінного струму рудникових контактних електровозів.

Встановлено, що електромеханічні характеристики ТАД мають різну жорсткість і перевантажувальну здатність, що в свою чергу призводить до нерівномірності навантаження між двигунами, котрі функціонують в паралельних тягових модулях дводвигунного електроприводу рудничного електровозу.

У роботі в комплексі електроприводу досліджені електромеханічні характеристики ТАД при їхній параметричній несиметрії: нерівності активних опорів статора й ротора, індуктивності розсіювання статора, а також індуктивності контуру намагнічування, що характеризує сталь машин.

Особливу увагу привертає нерівність втрат складових енергії у статорі й роторі. Встановлено, що за певних умов нерівномірність навантаження може становити 20%, при цьому втрати потужності зростають до 40%.

Дослідження динамічних режимів при несиметрії ТАД виконані на розробленій математичній моделі електропривода - «АІН-ТАД». Динаміка пуску кожного ТАД дводвигунного ТЕП електроприводу різна. Це проявляється, насамперед, у миттєвих значеннях електромагнітного моменту, а сталі значення показують нерівномірність навантаження двигунів. Виникає завдання - побудувати систему адаптивного вирівнювання навантаження ТАД при параметричній несиметрії останніх. В процесі синтезу системи вирівнювання навантаження тягових асинхронних двигунів дводвигунового електропривода, у результаті порівнянь, використано принцип формування різницевого сигналу. При цьому момент обчислюється на основі інформації про зміну величин струмів й потікозчеплення статора. Останні обчислюються чисельним інтегруванням рівнянь електричної рівноваги статорних контурів ТАД

,(4)

де - момент ТАД; - частота холостого ходу двигуна; - параметри ТАД.

Не враховуючи інерційність перетворювача вирівнювання навантаження між ТАД відбувається в лічені долі секунди. Зниження нерівномірності струмів статора відбувається з урахуванням динамічних властивостей їхніх контурів.

Третій розділ присвячений аналізу, дослідженню, розробці способів та засобів захисту елементів тягового електро-обладнання електровозів від псевдо- і аварійних режимів функціонування.

Як перший крок на шляху реалізації стратегії будови структури комплексної системи захисту ТЕП рудникового контактного електровоза від позаштатних ситуацій, прове-дено аналіз функціонування даного виду привода з погляду на можливості виникнення анор-мальних ситуацій і можливі напрямки захисту від них.

Запропонована формалізація анормальних явищ в ТЕП та окреслені фактори-збудники цих явищ, як-то: замикання чи розриви в електричних ланцюгах тягового приводу, відхилення параметрів від припустимих, відмова як окремих елементів так і блоків, порушення алгоритму функціонування та інші.

Встановлено, що оскільки фактори, збуджуючі анормальні ситуації, взаємовпливові та взаємозалежні, а їх прояви різноманітні, то створювати локальні підсистеми з послідуючим їх об'єднанням в загальну систему захисту недоцільно.

Аналітичні дослідження дозволили створити комплексну багатофункціональну структуру системи захисту.

Подальша оцінка функціональних можливостей даної структури проводилась з використанням теорії мереж Петрі.

Дослідження на основі розроблених моделей дозволило підтвердити природу виникнення надструмів в ланцюгах ТЕП як багатофакторного явища, аналіз складових, котрий сприяв побудові базової мережі Петрі для каналів наднапруг.

Аналогічно виглядає мережа Петрі для аварійних станів по іншим параметрам.

Складена модель каналів захисту від наднапруги на конденсаторі вхідного фільтру ВD і виявлення неприпустимої тривалості дії обмежника ВU.

Розроблені моделі мереж Петрі інших каналів системи захисту тягового електро-привода аналогічні.

Аналіз складових анормальних ситуацій на основі базових мереж Петрі, дозволив синтезувати узагальнену структуру мережі як основу для комп'ютерного моделювання функціонування ТЕП в нештатних ситуаціях та розробки алгоритмів та програм захисту для мікропроцесора системи керування електроприводом рудникового контактного електровозу.

Для аналізу функціонування ТЕП в перехідних режимах розвинуто методику розрахунку електромагнітних процесів в системі АІН-ТАД.

Для цього вектори напруги живлення ТАД на n-му відрізку між комутаціями представлені у вигляді

,

. Тут - модуль вектора , рівний 2/3 вхідної напруги АІН .

Комплекс перетворень дозволив отримати вирази для аналізу струмів ТАД. Для струму статора -

 (5)

для струму ротора -

.(6)

де , - параметри ТАД; - корені характеристичного рівняння; - інтервал комутації.

При цьому, електромагнітний момент ТАД може бути отриманий

,(7)

де - число пар полюсів машини; - вектор, спряжений з вектором .

Таким чином, отримані рівняння дають можливість для аналізу електромагнітних процесів на інтервалі « » з будь-яким порядковим (від моменту включення напруги) номером. Перевагою розглянутого методу є відсутність необхідності попереднього розрахунку всього процесу від включення чи навіть одного періоду.

Для сталих процесів (нескінченно видалень від моменту включення інтервал « ») вирази (5)-(6) спрощуються, тому що всі складові, що містять « » і « » перетворюються при « » у нуль, тому що дійсні складові частин обох коренів завжди негативні.

У результаті, для конкретного ТАД, задаючись частотою обертання ротора, частотою напруги живлення і величиною «набросу» (зміни) напруги, реально розраховувати як сталий, так і перехідний режими.

При цьому відзначимо, як показав аналіз, що величина ударного струму при включенні двигуна, з розрахунку однакового сталого магнітного потоку, залежить від напруги, причому в основному процеси аналогічні випадку включення ТАД на синусоїдальну (немодульовану) форму напруги. Ударні струми при включенні вибігу досягають 3-10 кратних величин відносно амплітуди номінального струму, у залежності від частоти і напруги включення. При пуску з оптимальними величинами напруги і частоти ТАД ударний струм в них перевищує сталу величину незначно, перехідної струм загасає практично протягом першого інтервалу, тобто 1/6 частини періоду комутації.

У четвертому розділі приведені практичні розробки та результати їх втілення в практику створення першого в вітчизняному електровозобудуванні рудникового електровоза з ТАД. Отримані в результаті експериментів осцилограми струмів у тягових двигунах показують відповідність реальних їх форм з розрахунковими даними.

Дослідження підтвердили стійкість функціонування системи керування ТЕП при відриві пантографа електровоза від контактної мережі. На осцилограмі можна бачити перехідний процес, що виникає в ТЕП у момент відриву пантографа. Канал 1 (верхній) показує амплітудне значення фазового струму в ТАД. Канал №2 (нижній) показує стан входу системи (часова ділянка = 0,5с) після поновлення контакту: КП-пантограф електровоза. Спад напруги з рівня 230В до рівня нижче 30В відбувається за час менше ніж 150 мс.

«Підхоплення» швидкості руху здійснюється через 1,5 с після сталої напруги живлення, що відповідає розрахунковій моделі ТЕП. Остання умова перевірялася в умовах шахти «Батьківщина», ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат» (м. Кривий Ріг).

Під час досліджень перевірявся також вплив контакту між контактним проводом та пантографом електровозу на форму кривої струму. Як свідчать результати вимірювань, подібне незначно впливає на форму кривої, у якої вищі гармонічні складові, у гіршому випадку, не перевищують 0,7-1,2% від основної гармоніки.

Аналогічно підтверджені й інші складові, що свідчать про сталість функціонування всього комплексу ТЕП в реально можливих режимах роботи.

висновки

У дисертаційній роботі обґрунтовано вирішення науково-прикладної задачі, що виявляється в підвищенні рівня реалізації електроенергетичного потенціалу, надійності й електробезпечності електроприводів змінного струму рудникових контактних електровозів з імпульсними системами керування рівня напруги живлення тягових асинхронних електричних двигунів з к.з. ротором.

Виконані дослідження дозволили отримати наступні результати:

1. Розвинута тактика підходу до аналізу та оцінки рівнів і критеріїв ефективності видів та структур тягових електроприводів рудникових контактних електровозів з метою використання та реалізації максимально можливого їх електроенергетичного потенціалу. Встановлено, що хаотичні коливання величин споживаного струму, швидкості руху та тягового зусилля, спричиняють неефективнопідвищений рівень електроспоживання рудниковим електровозом під час руху. При цьому, залежність, та питома вага, впливаючих на рівень споживання електричної енергії електровозом факторів носить суб'єктивно складний характер, в залежності від умов експлуатації та технічного стану електровоза і живлячої контактної мережі.

Розроблено закон та алгоритм його реалізації системою керування асинхронним тяговим електроприводом, що забезпечує загальне зниження рівня рейсового електроенергоспоживання рудниковим електровозом на 10-30% під час руху його по складовим елементам шахтних (підземних) магістралей.

2. Запропоновано метод аналізу електромагнітних процесів в електроприводах змінного струму рудничних контактних електровозів з контурами імпульсного перетворення електричної енергії живлення тягових асинхронних двигунів, що дозволяє розраховувати й оцінювати величини струму, напруги та моменту як в сталих, так і в перехідних режимах їх функціонування.

Встановлено, на основі аналізу статичних та динамічних характеристик розробленої структури двохдвигунового асинхронного тягового електричного привода з умовно жорстким через рейки зв'язком валів колісних пар між паралельно функціонуючими тяговими модулями: IGBT - інвертор - асинхронний тяговий двигун:

- при параметричній несиметрії активних опорів статора критичне ковзання й критичний момент змінюються зворотньо пропорційно зміні опору; при несиметрії індуктивних опорів короткого замикання критичне ковзання й критичний момент змінюються зворотньо пропорційно їхній зміні; при несиметрії активних опорів роторів критичне ковзання й критичний момент змінюються пропорційно зміні опору;

- підтверджено, що неврахування змінних параметрів тягових асинхронних двигунів приведе до помилкових результатів при дослідженні і проектуванні тягових електричних приводів як цілісного електротехнічного комплексу. Компенсація параметричної несиметрії тягового електричного двигуна шляхом впливу на вихідну напругу IGBT-перетворювача забезпечує вирівнювання навантаження.

3. В додаток до теорії аналізу та синтезу тягових електроприводів змінного струму рудникових контактних електровозів з асинхронними тяговими двигунами та АІН обґрунтовано напрямок розбудови процесу аналітичних досліджень вірогідності причин та місць можливого виникнення псевдо- і аварійних режимів функціонування, визначено, оцінено архітектуру структури превентивної локалізації (мінімізації) їх проявів.

Отримала подальший розвиток теорія мереж Петрі, що дозволило на основі формалізації рівнів ситуаційних можливостей узагальнити з окремих складових, функціональну структуру підсистеми електрозахисту електротехічного комплексу електровозу від анормальних ситуацій електропривода з IGBT-перетворювачем рудникового контактного електровоза.

4. Отримана, на підставі досліджень механізму появи перебоїв чи «провалу» в електроживленні рудникових контактних електровозів і прояви при цьому нештатних ситуацій у системі тягового електропривода, модель імовірності виникнення в даному випадку аварійних ситуацій, дозволяє виконати синтез структури в функції стійкості електромеханічної системи. Доведено змінний характер оптимально необхідного режиму настроювання системи захистів тягового електропривода.

Аналітично оцінено, що включення двигуна з режиму «вибігу», після відновлення живлення, на рівні напруги і частоти, що відповідають сталому режиму роботи тягових двигунів при цій частоті обертів, приводить до ударних струмів, що значно перевершують номінальні «значення». При цьому їх величина, в даному випадку, пропорційна прикладеній напрузі, тому при розробці та проектуванні комплексу тягових модулів: АІН-тяговий асинхронний двигун рудникових контактних електровозів потрібно враховувати необхідність обмеження величини напруги повторного включення двигуна з вибігу.

5. Розроблена та втілена в практику створення нових видів вітчизняних рудникових контактних електровозів система асинхронного тягового електропривода з IGBT-інвертором та мікропроцесорною системою керування забезпечує:

- електроенергоефективне споживання електричної енергії тяговим електроприводом рудникового електровоза на основних складових елементах загального циклу рейса по підземним видобуткам;

- оцінку та необхідний рівень вирівнювання навантаження асинхронних двигунів тягових модулів двохдвигунової електротехнічної системи рудникового електровозу;

- захист елементів комплексу асинхронного тягового електроприводу від аварійних струмів та наднапруг;

- функціонування системи при зниженні, чи-то «провалах» напруги живлення на вході АІН;

- захист машиніста та обслуговуючого персоналу від ураження електричним струмом;

- самовільний рух електровозу.

6. Розроблені, апробовані та рекомендуються до практичного використання:

- способи та схемотехнічні рішення по захисту електрообладнання рудникових контактних електровозів від псевдо- та аварійних режимів;

- схемотехнічні рішення по захисту машиніста електровозу від ураження електричним струмом;

- програми та алгоритми для мікропроцесорного керування тяговим електроприводом.

7. Отримані результати дозволили розробити, випробувати і впровадити на шахті “Батьківщина” Криворізького залізорудного комбінату (м. Кривий Ріг) дослідний зразок тягового асинхронного електропривода рудничного контактного електровоза з IGBT - перетворювачем електричної енергії, передати результати досліджень для практичної реалізації спеціалізованим підприємствам ДП «НВК Електровозобудування» (м. Дніпропетровськ) і ТОВ «Торговий дім «Електричні машини» (м. Харків) для випуску електроустаткування й рудникових контактних електровозів, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Отримано науково-технічний ефект у сфері розробки принципово нових технічних рішень, і економічний ефект, що складає 15,07 тис. грн. на один електровоз у рік.

Результати досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, запропоновані і впроваджені в навчальному процесі в Кременчуцькому державному політехнічному університеті імені Михайла Остроградського (м. Кременчук).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Комбинаторика преобразователей напряжения современных тяговых электроприводов рудничных электровозов / [Синчук О.Н, Синчук И.О., Юрченко Н.Н., Чернышов А.А., Удовенко О.А., Пасько О.В., Гузов Э.С.]; под ред. О.Н. Синчука - Київ: ІЕД НАНУ, 2006. - 252с.

Здобувачем запропонована методика аналізу та синтезу структури тягових електроприводів змінного струму з IGBT- перетворювачами і асинхронними тяговими двигунами для рудникових електровозів.

2. Синчук О.Н. Псевдоактивный подход к повышению надежности тягового электропривода рудничных электровозов / О.Н. Синчук, Э.С. Гузов, И.О. Синчук // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут”: Зб. наук. праць. - Харків: НТУ «ХПІ», 2002. - Т.2, Вип. 12. - С. 536-538.

Здобувачем запропонована методика аналізу та синтезу структури тягових електроприводів змінного струму з IGBT - перетворювачами і асинхронними тяговими двигунами для рудникових електровозів.

3. Синчук О.Н. Тяговый электропривод рудничного аккумуляторного электровоза / О.Н. Синчук, И.О. Синчук, А.А. Чернышов, Д.Л. Сушко // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут”: Зб. наук. праць. - Харків: НТУ «ХПІ», 2002. - Т.1, Вип. 12. - С. 204-205.

Здобувачем розглянуті теоретичні положення підходу до аналізу систем керування тяговими електроприводами рудникових електровозів.

4. Синчук О.Н. Перспективы развития шахтных (рудничных) электровозов с энергосберегающими видами тяговых электроприводов / О.Н. Синчук, С.В. Лебедкин, И.О. Синчук, О.А. Удовенко, О.В. Пасько // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - 2006. - № 8 (102). - С. 83-92.

Здобувачем запропонована методика аналізу та синтезу структури тягових електроприводів змінного струму з IGBT- перетворювачами і асинхронними тяговими двигунами для рудникових електровозів.

5. Синчук И.О. Анализ неравномерности нагрузки двигателей при их параметрической несимметрии в двухдвигательном тяговом электроприводе / И.О. Синчук, А.Н. Артеменко, А.А. Чабан // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського: Зб. наук. праць. - Кременчук: КДПУ ім. М. Остроградського - 2006. - № 6(47). - С.29-34

Здобувачем розроблена математична модель для досліджень впливу рівнобіжностей параметрів асинхронних тягових двигунів на загальне навантаження електровоза.

6. Синчук О.Н. К вопросу создания вагонов метрополитена с тяговым электроприводом переменного тока / О.Н. Синчук, С.В. Лебедкин, А.А.Чернышев, И.О. Синчук, О.В. Пасько // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - 2007. - Ч. 2, № 8 (114). - С. 42-44.

Здобувачем запропонована методика аналізу та синтезу структури тягових електроприводів змінного струму з IGBT- перетворювачами і асинхронними тяговими двигунами для рудникових електровозів.

7. Синчук И.О. Исследование переходных электромагнитных процессов в тяговом электроприводе переменного тока / И.О. Синчук, О.В. Пасько // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету: Зб. наук. праць. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2007. - Тематичний вип. - С.171-173.

Здобувачем розроблені теоретичні положення досліджень перехідних електромагнітних процесів в асинхронних тягових двигунах.

8. Синчук О.Н. Рудничный контактный электровоз с тяговым электроприводом переменного тока / О.Н. Синчук, С.В. Лебедкин, Ф.И. Караманиц, И.О. Синчук // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - 2007. - Ч. 2, № 8 (114). - С. 37-41.

Здобувачем розроблена структура комплексної системи тягового електропривода.

9. Синчук О.Н. Рудничный контактный электровоз с тяговым электроприводом переменного тока и микропроцессорной системой управления (разработка, испытания) / О.Н. Синчук, И.О. Синчук, Ф.И. Караманиц, И.М. Зайцев, О.В. Пасько // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - 2007. - Ч. 2, № 5 (123). - С. 33-37.

Здобувачем виконані схемотехнічні рішення системи тягового електропривода.

10. Чорний О.П. Вирівнювання навантаження дводвигунного тягового електроприводу рудникового електровозу при параметричній несиметрії асинхронних двигунів / О.П. Чорний, О.А. Зерній, І.О. Сінчук // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського: Зб. наук. праць. - Кременчук: КДПУ ім. М. Остроград- ського. - 2008. - Ч. 1, № 3(50). - С.79-82.

Здобувачем проведено синтез математичної моделі тягового асинхронного двигуна для дослідження статичних і динамічних досліджень, розробка способу вирівнювання навантажень між тяговими модулями дводвигунного електроприводу рудникового контактного електровоза.

11. Каневский В.В. Розрахунок статичних характеристик асинхронного частотно-регульованого електропривода / В.В. Каневский, О.В. Пустовой, І.О. Сінчук, О.В. Пасько // Вісник національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»: Зб. наук. праць. - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - Вип. 30. - С. 374-378.

Здобувачем запропоновано теоретичні дослідження електромагнітних процесів в ланцюгах тягового електроприводу рудникового контактного електровоза.

12. Шаповал В.Г. К вопросу анализа импульсных способов формирования форм кривых тока и напряжения питания 2-х и 3-х фазных тягових двигателей / В.Г.Шаповал, И.О. Синчук, В.О. Черная // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського: Зб. наук. праць. - Кременчук: КДПУ ім. М. Остроградського. - 2008. - Ч. 1, № 1(48). - С.11-15.

Здобувачем розроблено метод аналізу форм кривих струму та напруги живлячих асинхронні тягові двигуни.

13. Сидоренко В.М. Ймовірнісна модель аварійних ситуацій в системі електроживлення рудникового електровозу / В.М. Сидоренко, О.П. Чорний, І.О. Сінчук // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського: Зб. наук. праць. - Кременчук: КДПУ ім. М. Остроградського. - 2008. - Ч. 2, №3 (50). - С.139-142.

Здобувачем запропоновані теоретичні викладки побудови математичної моделі досліджень аварійних ситуацій в системі електроживлення тягового електроприводу.

14. Синчук И.О. Анализ аномальных ситуаций в асинхронных тяговых электроприводах рудничных контактных электровозов / И.О. Синчук // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»: Зб. наук. праць. - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - Вип. 30. - С. 365-367.

15. Полищук П.И. Защита элементов контура преобразования электрической энергии в тяговых электрических приводах переменного тока / П.И. Полищук, И.О. Синчук, В.О. Черная // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»: Зб. наук. праць. - Харків: НТУ «ХПІ», 2008. - Вип. 30. - С. 368-370.

Здобувачем розроблені схемо-технічні рішення тягових електродвигунів рудникових контактних електровозів та способів захисту електрообладнання від аварійних режимів функціонування.

16. Синчук И.О. Исследование аварийных и псевдоаварийных ситуаций в тяговых электроприводах переменного тока с помощью базовых сетей Петри / И.О. Синчук // Технічна електродинаміка. - Київ: ІЕД НАНУ. - 2008. - Ч. 4, Тематичний вип. - С. 76-78.

17. Пат. на корисну модель 20092 Україна, МПК Н02М 5/00. Система керування тяговим електроприводом змінного струму рудникових електровозів / Сінчук О.М., Лебьодкін С.В., Караманиць Ф.І., Сінчук І.О., Зайцев І.М., Гузов Е.С.; заявник та патентовласник ТОВ «Торговий дім «Електричні машини». - u200607065; заявл. 26.06.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

Здобувачем розроблена структура електротехнічної системи тягового електропривода.

18. Пат. на промисловий зразок 15374 Україна, МПК 13-03. Силовий блок системи керування тяговим електроприводом рудникового електровоза / Сінчук О.М., Лебьодкін С.В., Караманиць Ф.І., Сінчук І.О., Зайцев І.М.; заявник та патентовласник ТОВ «Торговий дім «Електричні машини». - s 2007 00249; заявл. 19.02.2007; опубл. 26.11.2007, Бюл. № 19.

Здобувачем розроблені схемотехнічні рішення варіантів побудови систем тягового електропривода.

19. Пат. на полезную модель 67350 Российская Федерация, МПК Н02М 5/00. Система управления тяговым электроприводом переменного тока рудничных электровозов / Синчук О.Н., Лебьодкин С.В., Караманиць Ф.И., Синчук И.О., Зайцев И.М., Гузов Э.С.; заявитель и патентообладатель ООО «Торговый Дим «Элэктрычни машыны» - U200607065; заявл. 18.01.2007г; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28.

Здобувачем розроблені схемотехнічні рішення варіантів побудови систем тягового електропривода.

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

Здобувачем розглянуті теоретичні положення підходу до аналізу систем керування тяговим електроприводом змінного струму з асинхронними двигунами.

21. Синчук И.О. Коммутационные перенапряжения и способы защиты от них в тяговых электроприводах переменного тока / И.О. Синчук // Збірник наукових праць VI Всеукраїнської конференції „Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”. - Кременчук: КДПУ ім. М. Остроград- ського. - 2008. - С.91-92.

АНОТАЦІЯ

Сінчук І.О. Тяговий частотно-регульований асинхронний електропривод рудникових контактних електровозів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків. - 2009.

Дисертаційна робота спрямована на вирішення проблеми електроенергозбереження на електрифікованому транспорті рудникових шахт - рудникових контактних електровозах шляхом застосування нових сучасних електроенергоефективних систем тягових електроприводів - асинхронні двигуни- IGBT-інвертори.

В роботі узагальнено основні сучасні тенденції розвитку тягових електроприводів, що дозволило констатувати факт доцільності і необхідності розробки електроенергоеффективних їх видів оптимальної архітектури і функціональної захищеності для рудникових контактних електровозів.

Сформульовано узагальнені принципи будови архітектур тягових електроприводів змінного струму з високоефективними структурами перетворення електричної енергії на рудниковому електровозному транспорті.

Проведено аналіз статичних характеристик сконструйованої структури двохдвигунового тягового електричного привода з жорстким зв'язком валів через рейку і нерівномірності навантаження при їхній параметричній несиметрії.

Запропонована методика оцінки можливостей і місць виникнення позаштатних ситуацій, що провокують виникнення анормальних процесів при функціонуванні асинхронних тягових електроприводів рудникових контактних електровозів, що дозволило розробити і рекомендувати для застосування способи усунення анормальних ситуацій у функції ситуаційних впливаючих факторів.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень і нові патентоспроможні схемотехнічні рішення передані «НВК Електровозо- будування» (м. Дніпропетровськ) і ТОВ ТД «Електричні машини» (м. Харків) для освоєння випуску нового вітчизняного високоефективного електроустаткування і систем керування рудниковими контактними електровозами.

Ключові слова: електромеханічна система, регульований електропривод, структури та системи частотного керування.

АННОТАЦИЯ

Синчук И.О. Тяговый частотно-регулируемый асинхронный электропривод рудничных контактных электровозов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой ступени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт». - Харьков - 2009.

Диссертационная работа направлена на решение проблемы электроэнергосбережения на электрифицированном транспорте рудных шахт - рудничных контактных электровозах путем применения новых современных электроэнергоэффективных систем тяговых электроприводов: асинхронные двигатели - ІGBT-инверторы.

В работе обобщены основные современные тенденции развития тяговых электроприводов, позволяющие констатировать факт целесообразности и необходимости разработки электроэнергоэффективных видов ТЭП для рудничных контактных электровозов оптимальной архитектуры и функциональной защищенности.

Сформулированы обобщенные принципы подхода к созданию архитектур тяговых электроприводов переменного тока, позволяющие рекомендовать полученные методические и технологические аспекты для создания высокоэффективных контуров преобразования электрической энергии на рудничном электровозном транспорте.

Проведен анализ статических характеристик сконструированной структуры двухдвигательного тягового электропривода с условно жесткой связью валов через рельс и неравномерности распределения нагрузки между параллельно функционирующими тяговыми модулями при параметрической несимметрии тяговых асинхронных двигателей.

Установлено, что при параметрической несимметрии активных сопротивлений статора критическое скольжение и критический момент изменяются обратно пропорционально изменению сопротивления; при несимметрии индуктивных сопротивлений короткого замыкания критическое скольжение и критический момент изменяются обратно пропорционально их изменению; при несимметрии активных сопротивлений роторов критическое скольжение и критический момент изменяются пропорционально изменению сопротивления;

Предложенная методика оценки возможностей и мест возникновения внештатных ситуаций, которые провоцируют возникновение анормальных процессов при функционировании асинхронных тяговых электроприводов рудничных контактных электровозов, что позволило разработать и рекомендовать для применения классификацию анормальных ситуаций в функции ситуационных влияющих факторов.

Получила дальнейшее развитие теория сетей Петри, что позволило на основании формализации уровней ситуационных возможностей обобщить из отдельных составляющих функциональную структуру электрозащиты электротехнического комплекса электровоза от анормальных ситуаций электропривода с IGBT-преобразователем рудничного контактного электровоза.

Полученная, на основании исследований механизма появления перебоев или «провала» в электропитании рудниковых контактных электровозов и проявления при этом нештатных ситуаций в системе тягового электропривода, модель вероятности возникновения, в данном случае аварийных ситуаций, разрешает выполнить синтез структуры привода в функции функциональной устойчивости электромеханической системы. Доказан переменный характер оптимально необходимого режима настраивания системы защит тягового электропривода.

Аналитически оценено, что включение двигателя из режима «выбега», после восстановления питания, на уровни напряжения и частоты, которые соответствуют показателям при установившихся режимах работы тяговых двигателей при этой частоте оборотов, приводит к ударным токам, которые значительно превосходят номинальные значения. При этом, их величина, в данном случае, пропорциональна приложенному напряжению, поэтому при разработке и проектировании комплекса тяговых модулей: АИН-тяговый асинхронный двигатель рудничных контактных электровозов нужно учитывать необходимость ограничения величины напряжения повторного включения двигателя из выбега при положительном номинальном скольжении возможен колебательный процесс обмена энергией с сетью, что при отсутствии специальных мероприятий провоцирует появление сверхнапряжения на токоприемнике электровоза.

Разработанная и воплощенная в практику создания новых видов отечественных рудниковых контактных электровозов система асинхронного тягового электропривода с IGBT-инвертором и микропроцессорной системой управления обеспечивает:

- электроэнергоэффективное потребление электрической энергии тяговым электроприводом рудничного электровоза на основных слагаемых элементах общего цикла рейса по подземным выработкам шахт;

- оценку и необходимый уровень выравнивания нагрузки асинхронных двигателей тяговых модулей комплекса двухдвигательной электротехнической системы рудничного электровоза;

- защиту элементов асинхронного тягового электропривода от аварийных токов и сверхнапряжений;

- функционирование системы при снижении или «провалах» напряжения питания на входе АИН;

- защиту машиниста и обслуживающего персонала от поражения электрическим током;

- самовольное движение электровоза.

Полученные результаты позволили разработать, подвергнуть испытаниям и внедрить на шахте “Родина” Криворожского железорудного комбината (г. Кривой Рог) опытный образец тягового асинхронного электропривода рудничного контактного электровоза с IGB- транзисторным преобразователем электрической энергии, передать результаты исследований для практической реализации специализированным предприятиям ООО «ТД «Электрические машины» (г. Харьков) и ГП НПК «Электровозостроение» (г. Днепропетровск) для выпуска электрооборудования и рудничных контактных электровозов, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Получен научно-технический эффект в области разработки принципиально новых технических решений, и экономический эффект, который составляет 15,07 тыс. грн. на один электровоз в год.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, предложены и введены в учебном процессе в Кременчугском государственном политехническом университете имени Михаила Остроградского (г. Кременчуг).

Ключевые слова: электромеханическая система, регулируемый электропривод, структуры и системы частотного управления.

ANNOTATION

Sinchuk I.О. Hauling frequency managed asynchronous drive of mine contact electric locomotives. - Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences speciality 05.09.03 - The electrical Engineering complexes and systems. - National technical university «Kharkov polytechnic institute». - Kharkov - 2009.

Dissertation work is directed on the decision of problem of energy-savings on the electrified transport of mine mines - mine contact electric locomotives, by application of the new modern elektroenergyeffektiv systems of hauling electro mechanics are asynchronous drive with IGBT-transformers.

In-process generalized basic modern progress of hauling electromechanics trends, that allowed to establish the fact of expedience and necessity of development of elektroenergoeffektiv of their kinds for the mine contact electric locomotives of optimum architecture and multifunction dirigibility.

The generalized principles of structure of architecture of hauling electromechanics of alternating current are formulated, that allowed to recommend the got methodical and technological aspects for creation of high-efficiency structures of transformation of electric energy on a mine electric locomotive transport.

The analysis of static descriptions of the constructed structure include conducted hauling electric drive with hard connect of billows through a rail and unevenness of loading at their self-reactance unsymmetrical.

The offered method of estimation of possibilities and places of origin of supernumerary situations which provoke the origin of abnormal processes at functioning of asynchronous hauling drives of mine contact electric locomotives allowed to develop and recommend for application classification of them abnormal situations in the function of situational influences.

The functional diagram of the system of protecting is developed from abnormal situations in an electromechanic, on the base of which it is let to conduct the structural analysis of the system of defence and electric drive on the whole.

The results of theoretical and experimental researches and new patentable decisions passed GP of «NPK of Elektrovozobuduvannya» (m. Dnipropetrovsk) and TD the «Electric machines» (m. Kharkiv) for mastering of issue of new domestic high-efficiency electrical equipment and control system by mine contact electric locomotives.

Key word: electromechanically system, electric drive, structures and systems of frequency management

Размещено на Allbest.ru