Электропривод карьерного электромобиля

Электропривод карьерного электромобиля

ВВЕДЕНИЕ

Неоспоримой тенденцией развития мировой горной промышленности на обозримую перспективу считается стабильная ориентация на открытый способ разработки, как обеспечивающий наилучшие экономические показатели.. В России открытым способом добывается 91% железных руд, более 70% руд цветных металлов и 60% угля. Если учесть, что по мере роста глубины карьеров доля затрат на карьерный транспорт доходит до 55–60% в общей себестоимости добычи полезного ископаемого, то вполне очевидным представляется тезис о том, что вопросы развития и совершенствования карьерного транспорта являются одними из основных для открытых горных разработок. Основными факторами, определяющими развитие карьерного транспорта, являются систематически ухудшающиеся горно-геологические и горнотехнические условия разработки.

Совсем недавно считалось, что основным фактором, ограничивающим применение современных автосамосвалов с дизель-электрическим приводом в глубоких карьерах, является перегрев тяговых генераторов и электродвигателей мотор-колес . Благодаря значительному прогрессу в совершенствовании тягового привода карьерных самосвалов в последние годы эта проблема полностью решена. Автосамосвалы  последних моделей могут работать без перегрева тяговых электродвигателей при высоте подъема горной массы 400 м и более.

Как правило, на современном этапе развития карьерного автотранспорта в качестве силовых установок применяются дизельные двигатели мощностью до 1120 кВт грузоподъемностью до 130–160 т, большей мощности – на самосвалах грузоподъемностью свыше 180 т

. Автомобильный транспорт, как транспорт рабочей зоны карьера, в наибольшей степени подвержен воздействию усложняющихся с глубиной горнотехнических условий разработки. Основным ограничением применения автомобильного транспорта на глубоких карьерах по-прежнему остается высокая себестоимость перевозки горной массы. Кроме того, карьерный автомобильный транспорт является основным источником негативного антропогенного воздействия на окружающую среду при открытых горных работах.

С целью расширения области применения автотранспорта в глубоких карьерах, повышения его эффективности не прекращаются поиски новых технологических схем, а также путей его развития и совершенствования. Одним из основных направлений считается электрификация карьерного автотранспорта.

В качестве примера рассмотрим карьерный электромобиль М-200.

1 РАСЧЕТ И ВЫБОР  ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

м – радиус колеса.

Определим скорость автомобиля V, м/с

,

.

Расстояние L, м,  пройденное колесом за оборот определяется по формуле:

.                               (1.1)

Определяем количество оборотов  двигателя за минуту

 об/мин,                 (1.2)

 об/мин.

Переведем полученные значения скорости в угловую скорость

 рад/с,                   (1.3)

 рад/с.

Произведем тяговой расчет и выбор ЭД.

Влияние дорожных условий на движение автомобиля  [2].

Таблица 1.1 - Влияние дорожных условий на движение автомобиля

По заданию местность передвижения автомобиля – грунтовая дорога.

 - коэффициент сопротивления качению;

 рад   - угол наклона местности;

 - коэффициент обтекаемости;

м2 - площадь лобового сопротивления;

- коэффициент сцепления  с грунтом.

Сила сопротивления движению ,Н, определяется по формуле

.                                                                                                  (1.4)

Сила сопротивления при движении на подъем , Н, определяется по формуле

 .       (1.5)

Силой воздушного сопротивления движению можно пренебречь, так как на скоростях до 30 км/ч она не существенная.

Определим тяговое усилие , Н, определяется по формуле

.               (1.6)

Условие пробуксировки , Н, определяется по формуле

 Н.          (1.7)

Момент развиваемый ЭД , Нм, определяется по формуле

.                     (1.8)

Расчетам мощность электродвигателя по формуле, кВт

,                               (1.9)

.

Необходимо выбрать двигатель на мощности 509.5 кВт и частоту вращения 1703 об/мин.

Выбор двигателя произведем по каталогу представленном на электронном адресе фирмы производителя [3].

Таблица 1.2 - Технические характеристики двигателя

 Расчетной мощности соответствует двигатель мощностью 560 кВт и номинальной частотой вращения 590 об/мин. Для получения частоты вращения 1703 об/мин необходимо ослабить поток двигателя, следовательно, необходимо использовать электропривод с двухзонным регулированием скорости.

Переведем скорость вращения  выбранного двигателя в угловую скорость.

 рад/с.

 рад/с.

Определим  тягового усилия для расчетных значений.

Таблица 1.3 – Расчетные значения параметров

Тяговое усилие , Н определяется по формуле

 ,                                       (1.10)

где   - расчетные значения угловой скорости, рад/с.

Результаты вычислений сведем в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Результаты расчета

Определим  тягового усилия для каталожных значений.

Определим максимальное тяговое усилие:

Н,

где   - вращающий момент, Нм.

Таблица 1.5 – Каталожные значения параметров

Тяговое усилие определяется по формуле

,

где  - каталожные значения угловой скорости, рад/с.  

Результаты вычислений сведем в таблицу 1.6.

Таблица 1.6 – Результаты расчета

Рисунок 1.1- График тягового усилия

Из рисунка 1.1 видно, что график тягового усилия перекрывает график тягового усилия электродвигателя, следовательно, электродвигатель был выбран правильно. 

Рассчитаем сопротивления якоря, Ом, используя каталожные данные

 В,

 А,

                          (1.11)

Превышение температуры обмоток при установившемся тепловом состоянии ДПТ для типа ДК-724С соответствует классу нагревостойкости F, допустимая температура нагрева . Рассчитаем предельную температуру двигателя , оС, по формуле

,                                          (1.12)

где  - предельная температура электродвигателя;

-допустимая температура нагрева;

-погрешность в определение температуры;

-температура окружающей среды по ГОСТ.

.

Пересчитаем сопротивление якоря с учетом нагрева двигателя до предельной  температуры:

,                                (1.13)

где - температурный коэффициент электрического сопротивления, для меди равен 0.004.

(Ом).

2  Расчёт и выбор элементов силовой цепи электропривода

В качестве привода главного движения выберем тиристорный электропривод, в состав которого входят следующие элементы:

- двигатель ДК-724С;

- тахогенератор;

- трансформатор;

- тиристорный преобразователь ЭПУ.

В качестве преобразователя выбираем двухкомплектный вентильный преобразователь с встречно-параллельным соединением вентильных групп, выполненный по трехфазной мостовой схеме. В схеме используется раздельное управление группами вентилей, что позволяет обойтись без уравнительных реакторов, необходимых для ограничения уравнительных токов в режиме совместного управления.     

Выбираем устройство серии ЭПУ и оснащаем  его тиристором Т253-1000

Таблица 1 – Технические данные тиристора Т253-1000

Определим наибольшее среднее значение ЭДС преобразователя , (в), по формуле

                  ,                                     (2.1)

где     - коэффициент схемы вентильного преобразователя;

               – линейное напряжение вторичной обмотки  трансформатора.   

Номинальный угол регулирования αн, эл. град., приближённо можно определить из выражения

 =  =  = 0.721 рад = 41.3 (эл. град.)               (2.2)

2.1 Расчет сглаживающих реакторов

Для уменьшения пульсаций тока и сужения зоны прерывистых токов в якорную цепь двигателя включают сглаживающий реактор.

Требуемая величина индуктивности якорной цепи , Гн, определяется из равенства

,                                                (2.3)

где   – амплитуда основной гармоники выходного напряжения  ВП, В;

m2 – кратность пульсаций выходного напряжения, m2 = 6;

     I1* – допустимое относительное действующее значение основной гармоники выходного тока преобразователя, I1* = 0,1.

Круговая частота сети w, Гц, находится по формуле

                                 .                                (2.4)

Величина напряжения , В, определяется из равенства:

= ,                         (2.5)

где a – угол регулирования, рад.

Для расчёта индуктивности Ld выбирается значение угла регулирования α соответствующее номинальному режиму .

    =,

 =  = 0.89 мГн.

Индуктивность обмотки якоря двигателя La , Гн, определяют по формуле

                                             (2.6)

где p – число пар полюсов, p = 3;

kH – коэффициент, для некомпенсированных машин kH = 0.6 .

                                    =  = 2.6  мГн.

Индуктивность сглаживающего реактора LСГЛ, Гн, определяют по формуле

LСГЛ =  –  = (0.89– 2.6)10-3 = -1.721 мГн.                      (2.7)     

Так как величина индуктивности сглаживающего реактора  получилась отрицательной, то сглаживающий реактор не требуется.

2.2 Выбор силового трансформатора

Для расчета мощности силового трансформатора, работающего на один преобразователь и электропривод необходимы следующие данные: номинальное напряжение и номинальный ток двигателя.

По номинальному напряжению определяем  вторичное  линейное напряжение U2л  трансформатора.

           кВА        (2.8)

По полученной расчетной  мощности выбираем стандартный трансформатор  из каталога представленном на электронном адресе фирмы производителя [1].

Выбираем устройство серии ТС3-1000

Таблица 1 – Технические данные трансформатора

2.3 Выбор тахогенератора

Выбор типа  тахогенератора для системы регулирования с обратной связью по скорости производится из условия, чтобы его номинальная частота вращения была не меньше максимальной частоты вращения электродвигателя.

                                            (2.9)

nмакс = 2350 об/мин

Выбираем устройство серии ТП32-16-2.5  из справочника [9].

Таблица 3 – Технические данные тахогенератора  

3 РАЗРАБОТКА  СИЛОВОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Rт – резистор торможения;

Rш – шунтирующий резистор;

Rc –  токоограничивающий резистор;

LM – обмотка возбуждения;

ТК – тормозной контактор;

ЛК – линейный контактор;

КШ – шунтирующий контактор;

РХ – реверсор хода.

Рисунок 3.1 – Силовая схема электропривода

Схема включения электродвигателей мотор – колесо – последовательная. Направление движения изменяется переключателями реверсоров хода РХ1 и РХ2 при этом происходит изменение направления протекания тока в обмотки возбуждения, в результате происходит торможение двигателя и разгон его в противоположное направление. Тиристорный преобразователь (ТП) нужен для регулирования скорости ниже номинальной, а для получения скорости выше номинальной необходимо ослабить поле путем шунтирования обмотки возбуждения замыкая контакты КШ. Для перехода в режим торможения необходимо замкнуть контакты ТК и разомкнуть контакты ЛК.

При динамическом торможении необходимо якорь двигателя отключить от сети и замкнуть на добавочное сопротивление Rт, сохранив при этом ту же величину и направления тока в обмотке возбуждения .

В этом двигателе применяется динамическое торможение с независимым возбуждением.

Обмотка возбуждения в этом случае подключается к сети через резистор Rc, ограничивающий ток до динамического значения. Поскольку двигатель работает как генератор с независимым возбуждением,  его характеристики подобны характеристикам машины независимого возбуждения при динамическом торможении. Эти характеристики линейны и все пересекаются через начало координат, обладая большей жесткостью при меньших сопротивлениях.  

Благодаря последовательному включению электродвигателей  обеспечивается равенство их токов и моментов. Это улучшает управляемость самосвала при поворотах, уменьшает износ шин, повышает ресурс электродвигателя.

4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ДИАГРАММУ МОМЕНТОВ     

Определим момент по формуле

Результаты занесем в таблицу

Таблица 4.1 –  Таблица результатов

Рисунок 4.1 – Диаграмма моментов

Как видно из рисунка 4.1, диаграмма моментов имеет две зоны регулирования. Первая зона отвечает регулированию с постоянным моментом. Постоянство момента при номинальном токе в якоре двигателя осуществляется изменением напряжения главной цепи при неизменном номинальном потоке двигателя. Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна угловой скорости.

Вторая зона отвечает регулированию с постоянной мощностью, когда регулирование производится изменением магнитного потока двигателя.

Изменением магнитного потока осуществляется путем шунтирования обмотки возбуждения при этом магнитный поток уменьшается, а обороты увеличиваются.  

Предположим, что кривая намагничивания ДПТ с последовательным возбуждением  носит линейную зависимость между потоком и током  якоря, тогда:

                                                         ,                                                           (4.1) 

То момент электродвигателя имеет вид:

                                               .                                        (4.2)       

Уравнение механической характеристики в системе ТП-Д имеет вид:

                                             ,                                     (4.3)

где - максимальная величина выпрямленной ЭДС преобразователя, В;

- угол управления вентилями преобразователя, отсчитываемый от  точки их естественной коммутации;                                               

 - конструктивный коэффициент;

- момент, развиваемый электродвигателем, Н·м;

 - полное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока, Ом.

Согласно лекциям предмета «Системы управления электрооборудованием»  эквивалентное сопротивление , Ом, цепи выпрямленного тока можно определить как

                                     Ом.                              (4.4)

Для построения механических характеристик, соответствующих второй зоне регулирования, необходимо найти   при  различных значениях момента:

Выразим Сеk из уравнения (4.3) при U = Uном = , , .

Преобразуем его и получаем:

                     .                                  (4.5)

Воспользуемся программой MathCad для решения этого уравнения, получаем:

Аналогично найдем значение Сеk для   и  что соответствует скорости .

Результаты вычислений занесем в таблицу

Таблица 4.2 – Результаты вычислений

Страницы: 1, 2