Тяговый электропривод активного прицепа трубовоза

Введение. На территории Аляски, Северной Канады, Сибири и Якутии находятся большие месторождения нефти и газа. Эти местности отличаются суровым климатом и полным бездорожьем. В этих условиях прокладка нефте- и газопроводов сопряжена с большими трудностями и требует высокой проходимости транспортных средств. В большинстве современных грузовых автомобильных поездов повышенной проходимости прицеп или выполняется без привода колеса или передача вращающего момента на колеса осуществляется механическим путем. Это снижает проходимость автопоезда, затрудняет управление, повышает опасность на дорогах и увеличивает число поломок. В том случае, когда для прицепа используется электропривод колес, можно в зависимости от длины перевозимых труб легко регулировать расстояния между осями колесных пар автомобиля и прицепа, перераспределять потоки первичной мощности теплового двигателя между колесами основного моста автомобиля и прицепа в зависимости от состояния грунта и преодолеваемых препятствий. В этом случае также облегчается управление автопоездом, что повышает безопасность и улучшает условия труда водителя.

Так как прицепы трубовоза не имеют жесткой механической связи с основной платформой автомобильного тягача, то применение на нем привычной многоступенчатой коробки передач становится не только затруднительным, но часто даже невозможным. Затрудняется также управление всем комплексом «тягач–прицеп» в режиме заднего хода, а также при маневрировании.

Сказанное требует максимального упрощения кинематической цепи привода прицепа и приводит к необходимости обсуждения одноступенчатой передачи от электродвигателя к ведущим колесам прицепа.

Однако в этом случае все трудности реализации требуемой тяговой механической характеристики активного прицепа ложатся на регулируемый электропривод колес. Здесь следует обратить внимание на следующие его особенности.

Во-первых, электропривод прицепа должен иметь ограниченную мощность, которая, на наш взгляд, не должна превышать 20–25 % от номинальной мощности основного двигателя тягача (т. е. дизеля или газовой турбины). Это позволяет сохранить достаточно благоприятные массогабаритные показатели исходного тягового привода трубовоза.

Во-вторых, отказ от сложной многоступенчатой коробки передач приводит к необходимости иметь тяговый электропривод прицепа с весьма широким диапазоном регулирования электромагнитного момента в режиме постоянства мощности. Авторы останавливаются на показателе 1:10. Это позволяет трубовозу при преодолении препятствий, а также на крутых подъёмах пусть с пониженной скоростью, но сохранять необходимые и весьма увеличенные тяговые усилия, а также повышенную управляемость. Следует также помнить и о необходимости устойчивого движения задним ходом. При движении трубовоза на ровных участках дорог с твердым покрытием от электропривода прицепа больших тяговых усилий не требуется. Некоторые авторы даже рекомендуют отключать электропривод прицепа в этом режиме.

Подобная задача получения регулируемого момента в очень широком диапазоне при постоян-

Электромеханические системы стве мощности встречается, например, в электроприводах моталок станов холодной прокатки. Там решение задачи достигается регулированием магнитного потока двигателя при постоянстве скорости намотки. Действительно, механическая мощность, требуемая для намотки полосы с постоянным натяжением F при постоянной линейной скорости V:

Рм = F •V = const.

С другой стороны, в регулируемом электроприводе поддерживается (при V= const) постоянство электромагнитной мощности

Pel =Ed^Ia= const за счет поддержания ЭДС двигателя Ed=const воздействием на его магнитный поток и тока якоря Ia=const воздействием на напряжение на якоре двигателя. В этом случае магнитный поток двигателя регулируется пропорционально диаметру наматываемого рулона, а ток якоря оказывается пропорциональным натяжению полосы.

Однако в тех случаях, когда диапазон изменения момента в режиме ограничения по мощности оказывается очень большим, по крайней мере, отношение максимального T _max к минимальному T _min моменту T _max/ T _min > (4…5), то приходится применять двухдиапазонное регулирование момента, которое в металлургических электроприводах России впервые применили А.Е. Тикоцкий и А.С. Филатов [1].

Суть данного способа заключается в следующем. Поскольку режим P e =const при чрезмерно больших диапазонах изменения отношения T max / T min воздействием только на магнитный поток при E d =const не удается, то весь диапазон регулируемого изменения момента T max / T min разделяется на два поддиапазона: на первом участке режим P_el =const достигается изменением магнитного потока двигателя при E_d =const и I_a =const, на втором – магнитный поток двигателя оставляют постоянным (Ф = const), но ток якоря I_a увеличивают, а ЭДС E d снижают, но так, чтобы поддерживалось

Pel =Ed^Ia = const.

Упомянутое регулирование момента в режиме ограничения мощности не даётся даром: при работе в первом поддиапазоне увеличивается габаритная мощность двигателя пропорционально степени ослабления магнитного потока, а при работе во втором – увеличивается перегрузка по току. Однако весьма значительные величины T _max/ T min « 10 и более, которые требуются в тяговом электроприводе активного прицепа, приводят к значениям коэффициента перегрузки, которые могут обеспечить не все типы двигателей: коэффициент перегрузки в двигателях постоянного тока ограничен условиями коммутации тока на коллекторе, в асинхронных – насыщением магнитной системы. Требуемую перегрузку можно получить лишь в синхронных реактивных машинах с независимым возбуждением (СРМНВ) [2–4].

Идея работы электропривода с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения следующая [5–11]. В явнополюсной синхронной машине роль обмотки возбуждения может выполнить и обмотка, размещенная в пазах статора, если, во-первых, ее витки находятся напротив межполюсного промежутка ротора и, во-вторых, эта обмотка имеет полный шаг. Так, если по обмоткам, находящимся над межполюсным промежутком, пропустить ток, то он создаст поток по продольной магнитной оси машины. Если теперь по обмоткам, расположенным над полюсами ротора, пропустить ток, то создается электромагнитный момент.

Токи в обмотках возбуждения, расположенных над межполюсными промежутками ротора, и токи в якорных обмотках, расположенных над полюсами ротора, могут регулироваться независимо и переключаться в функции положения ротора. По этим обмоткам нет необходимости пропускать синусоидальный ток. Более эффективной оказывается прямоугольная форма тока, как в секциях обмотки двигателя постоянного тока [12–14]. Двигатель работает как многофазный, ток и ЭДС каждой фазы сдвинуты относительно друг друга на п/ m электрических градусов, где m - число фаз двигателя.

Электропривод содержит генератор, управляемый выпрямитель, автономные инверторы и двигатели мотор-колёс по левому и правому борту прицепа. Возможна также традиционная схема привода ведущих колес прицепа через механический дифференциал от одного электродвигателя. Важной особенностью предлагаемого электропривода является применение в качестве генератора и тяговых двигателей синхронных реактивных машин независимого возбуждения. Эти электрические машины имеют следующие преимущества: простая полностью бесконтактная конструкция электрических машин, высокая или очень высокая механическая жёсткость ротора, что повышает надёжность при высоких скоростях и перегрузках. На роторе нет обмоток, используется высокая технологичность изготовления электрических машин (по экспертным оценкам, его цена ниже, чем асинхронного короткозамкнутого двигателя на 15– 20 %), повышенный КПД из-за «холодного» ротора, высокие перегрузки по моменту (до 4–6 М Н ), обмотка двигателя и генератора выполнена как однослойная с полным шагом, по форме тока и напряжению наилучшим образом сопрягается с полупроводниковыми преобразователями [15–19]. Полупроводниковый преобразователь работает в режиме пространственной векторной модуляции и в нем реализованы технические решения [20–22]. Система управления электроприводом может быть реализована на элементной базе [23–26].

В тех случаях, когда тяговый электропривод активного прицепа должен обеспечить сверхвысокий диапазон регулирования момента (до 10:1 и более), встает вопрос о рациональном соотношении величин поддиапазонов регулирования момента. Дело в том, что однозонное регулирование, хотя и более простое, оказывается оправданным в диапазоне не более (3…4):1, а далее приводит к неоправданному завышению габаритной мощности тягового электропривода. Наличие второй зоны оправдано также потому, что очень большие перегрузки по моменту весьма кратковременны. Об этом также свидетельствует типовая зависимость плотности распределения тягового усилия, график которой близок к кривой Гаусса.

С учетом сказанного можно предложить следующую последовательность расчета тягового электропривода активного прицепа. При заданных в технических условиях величинах предельной мощности электропривода, минимального и максимального моментов строится предельная характеристика.

На рис. 1 приведена серия кривых (в относительных единицах), которая поясняет общий ход расчетов тягового электропривода с двумя поддиапазонами регулирования момента. В качестве исходных данных принимается механическая характеристика электропривода в режиме постоянной мощности P_el = const и с заданной кратностью изменения момента, которая характеризуется значениями момента в точке А , где T_А = T _MIN =1и точке В , где T А = T MAX (см. рис. 1, а). В примере взято T А /T В = 1:10.

График плотности распределения p_i тягового усилия совмещается по оси момента с механической характеристикой (рис. 1, б).

Кривые, поясняющие характер изменения в функции момента переменных состояния электропривода при P_el = const: магнитного потока Ф = f (М), ЭДС двигателя Ed = f (T), тока якоря I a = f (T), – приведены на рис. 1, в. Граница между первой зоной регулирования момента, где постоянство мощности достигается изменением магнитного потока при Ed = const и I _a =const , и второй зоной регулирования момента, где ток якоря увеличивается, ЭДС двигателя уменьшается, а магнитный поток Ф = const, соответствует моменту в точке N на кривой (рис. 1, а). Положение этой точки необходимо выбрать так, чтобы суммарное увеличение габаритной мощности электропривода было минимальным.

При работе электропривода в первой зоне габаритная мощность электропривода тем больше, чем больше диапазон регулирования магнитным потоком и пропорциональна отношению моментов в точках A и N :

„ Tn „ Povi = Рд • ^ = Tn-

Здесь принято T_А = 1, n_А = 1 и тогда Р_А = 1 – мощность, развиваемая электроприводом в точке А механической характеристики (см. рис. 1, а).

При работе электропривода во второй зоне габаритная мощность вообще бы не увеличива- лась, если бы электродвигатель имел значительный запас по нагреву и очень большую перегрузочную способность. Но поскольку это не так, то приходится завышать номинальную мощность двигателя, чтобы он при работе электропривода в первой зоне (пусть даже на предельной тяговой характеристике, где Pel = const) имел некоторый запас по нагреву, который бы затем полностью расходовался при работе во второй зоне. При этом следует ориентироваться на величину среднеквадратичного тока за полный рабочий цикл. Как показано в [3], в зоне больших нагрузок FRRM имеет пропорциональную зависимость между током и моментом. В этом случае можно проводить проверку выбранного двигателя, ориентируясь на величину среднеквадратичного момента.

Рис. 1. Общий ход расчета тягового электропривода с двумя поддиапазонами регулирования момента

Так как дополнительный нагрев электродвигателя, вызванный превышением тока двигателя при работе во второй зоне, распределяется на все время рабочего цикла, то увеличение габаритной мощности не столь значительно, как отношение T_А/T_В . Для ряда фиксированных значений момента в точке N строят график функции P_OV = f ( T_N ), и выбирают ее минимальное значение (см. рис. 1, г).

Целесообразность двухзонного способа регулирования момента иллюстрирует следующий пример. В электроприводе активного прицепа, где номинальная мощность тягового электродвигателя P N = 40 кВт, диапазон электрического регулирования момента d = T_В/T_А = 10, были получены следующие результаты: первый поддиапазон регулирования момента изменением магнитного потока двигателя d ₁ = T_N / T _А = 4, второй – только увеличением тока двигателя I a и снижением ЭДС двигателя E d – d ₂ = T _В/ T_N = 2,5, габаритная мощность тягового электродвигателя (в долях от механической мощности, расходуемой на тягу) P OV ≈ 6. При этом, если бы регулирование момента осуществлялось только воздействием на магнитный поток двигателя, то P OV ≈ 10. Столь значительная разница в величинах габаритной мощности двигателя при рассмотренных способах регулирования момента достигается благодаря, во-первых, принятому двухдиапазонному способу регулирования момента, а, во-вторых, из-за относительно благоприятной формы кривой плотности распределения силы тяги на транспортных средствах (см. рис. 1, б), когда очень большие перегрузки наблюдаются сравнительно непродолжительное время.

Предложенные методы расчета могут успешно применяться для технологических объектов [27, 28], в которых решаются задачи энергосбережения.