Тяговый электропривод рудничного электровоза

Источником электроэнергии шахтных аккумуляторных электровозов являются щелочные никель-железные, никель-кадмиевые и кислотные тяговые аккумуляторы. Такие электровозы составляют 80% от общего числа электровозов в угольной промышленности и применяются:

• в откаточных выработках шахт, опасных по газу или пыли;
• в выработках шахт с исходящей струей воздуха и тупиковых, проветриваемых вентиляторами местного проветривания;
• на шахтах III категории, сверхкатегорийных по газу и опасных по внезапным выбросам.

Как правило, рудничные электровозы изготавливают с цепным весом 4,5–10 тонн, но существуют исполнения и до 28 тонн. Помимо этого, выделяют такие параметры, как максимальная скорость движения, ширина колеи, емкость и напряжение аккумуляторной батареи. Совокупность этих параметров определяет тип, мощность и диапазон скоростей приводного электродвигателя и, как следствие, характеристики силового блока управления электродвигателем.

Существующие электроприводы рудничных электровозов в основном построены на базе электродвигателей постоянного тока. В качестве системы управления таких приводов используются командоаппараты с несколькими ступенями регулирования. Основными проблемами приводов являются наличие щеточно-коллекторного узла, коммутационные перенапряжения в силовых цепях при переключении скоростей, невозможность идентифицировать аварийную ситуацию, по которой вышел из строя тот или иной элемент электровоза, сложность синхронизации ведущих осей и отсутствие автоматической защиты от пробуксовки. Электродвигатели и системы управления электровозами такого типа, как правило, оснащаются взрыво­защищенной оболочкой, предотвращающей в случае возгорания или возникновения искры внутри корпуса ее выход наружу. Совокупность существующих недостатков создает предпосылки к созданию более современных и функциональных электроприводов и систем управления.

Рис. 1. Рудничный электровоз А-5,5-600-У5

Современные тяговые электроприводы рудничных электровозов, как правило, глубоко интегрированы с системой управления электровоза в целом. Если конкретизировать, они интегрируются с подсистемами синхронизации регулируемых осей, подсистемой задания скорости и идентификации аварийных ситуаций, а также черным ящиком, обеспечивающим фиксацию событий и аварий, возникших при эксплуатации электровоза. В качестве примера рассмотрим решение отечественной разработки компании «Тульский завод горношахтного оборудования» с системой управления приводами производства ООО «НПФ Мехатроника-Про» на базе электровоза А-5,5-600-У5 (рис. 1).

Система управления приводом главного движения шахтного электровоза предназначена для работы в условиях, опасных по рудничному газу (метану) и пыли, и служит для:

• встраивания в шахтный электровоз;
• управления разгоном и замедлением движения электровоза;
• отображения информации о движении электровоза и о состоянии частей системы;
• мониторинга состояния компонентов системы в процессе работы;
• выполнения функций защиты тяговых электродвигателей.

Приведенная на рис. 2 система управления состоит из следующих частей:

• модуль управления и индикации (МУИ);
• модуль регистрации параметров (МРП);
• два силовых блока управления электроприводом (БУЭП1 и БУЭП2);
• модуль контроля изоляции и состояния АКБ (ВРВ);
• модуль питания (МП).

Рис. 2. Функциональная схема системы управления электроприводом

Как видно из рис. 2, взаимосвязь между составными частями системы выполняется по протоколу CAN. Питание на всю систему, в том числе и силовое, поступает от аккумуляторной батареи напряжением 80–160 В. Для возможности коммуникации с верхним уровнем (персональным компьютером) предусмотрены такие интерфейсы связи, как Ethernet, USB и RS-485, установленные на модуле регистрации параметров (рис. 3). Однако доступ к ним возможен только после остановки электровоза и вскрытия диагностического люка.

Рис. 3. Модуль регистрации параметров

Задание на скорость поступает от джойстика через модуль управления и индикации (рис. 4) в два блока управления электродвигателями первой и второй оси, БУЭП1 и БУЭП2. Рабочее место оператора приведено на рис. 5.

Рис. 4. Модуль управления и индикации

Отклонение джойстика в положение «от себя» соответствует увеличению развиваемой электровозом тяги. Максимальное отклонение джойстика в положение «от себя» от центра отображает максимальный тяговый момент, развиваемый на колесах электровоза. Направление приложенной тяги соответствует положению переключателя направления движения на панели управления.

Рис. 5. Пульт управления

Центральное положение управляющего джойстика показывает режим минимального тягового момента. В данном положении джойстика возможно движение электровоза накатом.

Отклонение джойстика в положение «на себя» соответствует формированию тормозного момента, при котором возможно замедление электровоза. Интенсивность тормозного момента отображает степень отклонения джойстика в положение «на себя» от центра. Максимальное отклонение джойстика в положение «на себя» соответствует формированию предельного тормозного усилия электровоза.

Благодаря внедрению джойстика в систему управления электровозом стало возможным максимально упростить управление электровозом, так как не требуется выполнять несколько действий в связи с переключением командоаппарата, преимущественно установленного на электровозах старого типа.

Модуль управления и индикации предназначен для одновременного отображения нескольких параметров, характеризующих режимы работы электровоза:

• отображение пробега и моточасов.
• скорость движения электровоза с учетом направления, км/ч;
• токи потребления тяговых электромоторов, А;
• уровень напряжения аккумуляторной батареи, В;
• температура электромотора, радиатора инвертора и процессорного модуля, град.

Рис. 6. Синхронный электродвигатель на постоянных магнитах взрывозащищенного исполнения серии СДПМ

Блоки управления постоянно контролируют угловое положение вала ротора электродвигателя по обратной связи от датчиков положения. Это является неотъемлемым условием управления синхронным электродвигателем, который применяется для осуществления движения колес. С целью исключения ухода одной из осей в режим буксования оба БУЭП синхронизируются по CAN-шине в части положения ротора каждого двигателя. При резком задании на скорость движения блок управления электроприводом формирует управление таким образом, чтобы исключить мгновенный разгон и пробуксовку. С этой целью в БУЭП введена адаптивная коррекция на управляющие воздействия, обеспечивающая, даже при мгновенном задании, относительно плавный разгон. Но в случае резкого торможения алгоритм адаптации отключается, и привод останавливается по заданной диаграмме почти мгновенно. В качестве тягового электродвигателя применяется синхронный многополюсный электродвигатель с постоянными магнитами и установленным на валу во взрывозащищенной оболочке абсолютным энкодером. Изображение электродвигателя приведено на рис. 6. Применение синхронного электродвигателя позволяет существенно уменьшить массогабариты при сохранении той же тяги, а также повысить энергоэффективность системы тягового привода, что сказывается на увеличении пробега электровоза на одной зарядке АКБ.

Для защиты электропривода от возникновения аварийных ситуаций или выхода из строя какого-либо элемента предусмотрена расширенная система защит с двумя уровнями отображения состояния — «Предупреждение» и «Авария». В частности, при тяжелых условиях эксплуатации, к которым относится работа электровоза, при возникновении предупреждения в первую очередь предиктивно контролируются:

• переход выходных токов тягового инвертора БУЭП в зону предельно допустимых значений;
• температура тягового электродвигателя и ее приближение к максимально допустимому уровню;
• перегрузка тормозного резистора.

В случае возникновения и идентификации аварии происходит отключение приводной части и регистрация следующих состояний:

• выходные токи тягового инвертора БУЭП превышают максимально допустимый уровень;
• выходные токи тягового инвертора БУЭП находятся в зоне предельно допустимых значений;
• отсутствует ток в выходных фазах тягового инвертора БУЭП;
• уровень несимметрии выходных токов тягового инвертора БУЭП находится вне зоны допустимых значений;
• выходные токи транзистора торможения БУЭП превышают максимальный уровень;
• выходные токи в цепи транзистора торможения БУЭП превышают максимально допустимый уровень;
• отсутствует ток в цепи транзистора торможения БУЭП;
• аварийная перегрузка тормозного резистора;
• поступление некорректной информации от датчика положения ротора электродвигателя;
• температура транзисторов тягового инвертора БУЭП превышает допустимый уровень;
• температура тягового электродвигателя превышает допустимый уровень;
• напряжение в цепи тягового инвертора БУЭП превысило максимально допустимый уровень;
• напряжение в цепи тягового инвертора БУЭП ниже, чем минимально допустимый уровень;
• отсутствует связь по CAN-интерфейсу между БУЭП и МУИ.

Все аварийные состояния и предупреждения непрерывно передаются по CAN-шине в модуль регистрации параметров с целью сохранения на Flash-носителе для дальнейшей оценки состояния приводов, системы управления и механических элементов электровоза. Модуль регистрации параметров производит одновременную запись на два носителя емкостью до 32 Гбайт.

С применением синхронного электродвигателя в качестве тягового элемента требуется обрабатывать множество датчиков, синхронизировать несколько приводов, контролировать аварийные ситуации, анализировать отдельные элементы и по необходимости включать защитные функции не только привода, но и всей системы в целом. Фактически при таком подходе современный тяговый электропривод рудничного электровоза становится интегрированным элементом системы управления электровозом, который взаимодействует с другими системами по CAN-шине.

По сравнению с традиционной системой электропривода применение синхронного электродвигателя в системе тягового электропривода рудничного электровоза уменьшает эксплуатационные расходы и улучшает энергетическую эффективность системы, что позволяет снизить энергетические потери и увеличить пробег электровоза на одной зарядке. Использование для управления синхронным электродвигателем силового блока с расширенной системой защит при непрерывном отслеживании параметров рабочих режимов дает возможность исключить внезапные отказы с одновременным повышением показателей надежности тягового электропривода.

Интегрированная система управления тяговым электроприводом обеспечивает согласованное управление двумя синхронными электродвигателями передней и задней колесной пары. Специальные программные алгоритмы позволяют оптимально распределять моментные усилия между ведущими осями, что в свою очередь минимизирует возможность проскальзывания колес на одной из ведущих пар электровоза. Удобный и понятный интерфейс вместе со вспомогательными корректирующими алгоритмами управления делают процесс управления электровозом интуитивно понятным и безопасным, а работа машиниста становится простой и легкой.