автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение тяговых свойств рудничного электровоза средствами электропривода

введение

С. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

L.I. Краткий обзор электроприводов рудничных электровозов и выбор объекта исследования

L.2. Основные режимы работы рудничного аккумуляторного электровоза

L.3. Обзор исследований динамики рудничных электровозов.

Постановка задачи исследования

I. Динамика электропривода рудничного электровоза

1.1. Математическая модель электропривода рудничного электровоза.

1.2. Теоретические и экспериментальные исследования пуско-тормозных режимов электропривода рудничного электровоза с секционированной системой управления электродвигателями

1.3. Исследование пусковых режимов электропривода с ти-ристорной системой управления электродвигателями

4. Определение оптимальных параметров управления электроприводом электровоза методами теории планирования эксперимента

I. Разработка защиты от избыточного скольжения

1.1. Выбор принципа построения защиты от избыточного скольжения и разработка ее схемы.

2. Синтез дискретного устройства выделения разности скоростей. Дискретное дифференцирующее устройство

1.3. Определение зоны нечувствительности устройства выделения разности скоростей

4. Определение зоны нечувствительности дифференцирующего устройства

1.5. Определение коэффициента передачи устройства ЗИС Динамика электропривода рудничного электровоза с устройством ЗИС.

1.1. Система автоматического регулирования скорости избыточного скольжения и ее математическое описание

4.2. Оптимизация параметров ЗИС в области устойчивости системы.

4.3. Исследование динамических режимов электропривода с устройством ЗИС на ЭВМ.

4. Экспериментальные исследования электропривода рудничного электровоза с устройством ЗИС f.5. Расчет экономической эффективности применения тиристорного электропривода с устройством ЗИС

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и :на период до 1990 года, принятыми ХХУ1 съездом КПСС, предусмотрено обеспечить ежегодную добычу угля в количестве 770-880 млн тонн [I]. Это повышает требования к работе подземного транспорта и, в частности, к электровозной откатке, которая в настоящее время и в ближайшем будущем будет занимать доминирующее положение на магистральных выработках шахт [2].Одним из путем более эффективной работы электровозной откатки является совершенствование действующих и создание новых автоматизированных электроприводов рудничных электровозов с повышенными противобуксовочными и противогазовыми свойствами.Низкое значение коэффициента сцепления колесных пар с рельсами в условиях шахты из-за наличия угольной пыли и влаги, а также сложный профиль путей приводит к избыточному скольжению колес (буксованию ияи юзу). Избыточное скольжение колес снижает производительность труда и безопасность движения, увеличивает непроизводительные потери электроэнергии на 30-60% [3,4,5], приводит к повышенному износу ходовой части электровоза, что увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому разработка и исследование электроприводов рудничных электровозов с защитой от избыточного скольжения является актуальной задачей.В отечественной и мировой практике электровозостроения разработан ряд способов защиты от буксования и юза. Однако в настоящее время для рудничных электровозов широко применяется Л1шь одна во многом несовершенная систегла пескоподачи. Применение песка приводит к засорению стрелок, увеличивает сопротивление движению состава, повышает износ колесно-моторного блока.Появление тиристорно-импульсных систем управления тяговыми двигателями создает предпосылки для повышения противобуксовочных и противогазных свойств электровозов средствами электропривода.Решение этой задачи требует глубокого исследования электромеханических переходных процессов в электроприводе, нахоадения оптимальных параметров управления двигателями, разработки про- . стых и надежных средств обнаружения избыточного скольжения, создания систем автоматического регулирования тягового усилия.Ц е л ь ю настоящей работы является разработка и исследо- < вание электропривода рудничного электровоза с повышенными противобуксовочными свойствами.В соответствии с поставленной целью, в п е р в о й г л а в е диссертационной работы дан анализ состояния вопроса, произведен выбор объекта исследования и сформулированы основные задачи, которые необходимо решить.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе, позволяют сделать следующие выводы.

1. Разработана математическая модель электропривода рудничного электровоза, учитывающая нелинейность характеристики сцепления и намагничивания тяговых двигателей, перераспределение сил нормального давления осей при изменении силы тяги на крюке, изменение силы сопротивления движению со стороны вагонеток, влияние уклона, конечную мощность источника питания, адекватность объекту которой подтверждается экспериментально.

2. Показано, что широко распространенный электропривод рудничного электровоза с ОСУ тяговыми двигателями обладает низкими противобуксовочными и противогазными свойствами. Практически каждое переключение контроллера в ССУ вызывает избыточное скольжение колес.

3. Исключение буксования в пусковых режимах простейшими средствами электропривода путем плавного изменения управляющего напряжения оправдано для рудничных электровозов со сцепным весом до

9 тонн. Для электровозов с большим сцепным весом целесообразно построение систем автоматического регулирования скорости избыточного скольжения.

4. Оптимальное значение коэффициента интенсивности управляющего воздействия в пуско-тормозных режимах рассчитывается по аналитическим зависимостям, полученным методами теории планирования эксперимента. Для данного класса задач существенное повышение точности указанных аналитических соотношений достигается преобразованием метрики факторного пространства.

5. Установлено, что специфика тиристорного электропривода рудничного электровоза как единой электромеханической системы обуславливает наличие во временных диаграммах переходных процессов при буксовании колес ряда (до 5*7) характерных участков.

6. Разработано новое противобуксовочное устройство, обеспечивающее обнаружение избыточного скольжения как по разности скоростей колесных пар, так и по приращению скорости колесной пары. При нарушении сцепления устройство формирует сигнал, пропорциональный скорости, избыточного скольжения.

7. Создана система автоматического регулирования скорости избыточного скольжения, которая в зависимости от условий сцепления увеличивает силу тяги на крюке на 15-20%.

8. Показано, что для рудничных электровозов система автоматического регулирования скорости избыточного скольжения должна иметь зону нечувствительности. Величина зоны нечувствительности расширяется с уменьшением скорости движения и для рудничных электровозов лежит в пределах 2-11%.

9. Установлено, что параметры противобуксовочной защиты,в первую очередь ее коэффициент передачи,оказывают значительное влияние на динамику электропривода рудничного электровоза. Во избежание колебательности переходного процесса коэффициент передачи противобуксовочной защиты для рудничных электровозов должен быть не более 10.

10. Проведенные экспериментальные исследования динамики электроприводов рудничных электровозов подтвердили основные теоретические положения работы.

Результаты выполненных исследований внедрены в промышленность. Акты внедрения приведены в приложении 5. Годовой экономический эффект от внедрения тиристорного электропривода с противобуксовочной защитой на один электровоз составил 13 тыс.рублей. Полное внедрение дает экономический эффект 110 тыс.рублей.

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1.8I-I985 годы и на период до 1990 года.- М.: Политиздат ,1981,- 95 с.

2. Волотковский С.А.Рудничная электровозная тяга,- М.:Недра, 1981.- 389 с.

3. Федоренко С.В. О потерях энергии при работе электровоза в режиме боксования. В сб.:Горная электромеханика и автоматика.-К.: Техн1ка, 1974, В 25, с.130-136.

4. Ренгевич А.А. Энергетический баланс рудничных электровозов.-В сб.:Вопросы рудничного транспорта, вып.5, Госгортехиздат, 1961, с.247-258.

5. Рысьев А.В. Потери при пробуксовках колес рудничного электровоза.- Изв.ВУЗ"ов. Горный журнал,1961, }£ I, с.107-117.

6. Кузнецов Б.А. Транспорт на горных предприятиях.- М.: Недра, 1969.- 655 с.

7. Кроль Е.Т. Техническое перевооружение подземного транспорта.-Донецк: Донбас ,1973.- 40 с.

8. Травкин Е.К. и др. Автоматизация шахтного транспорта.-М.: ЦНИЭИуголь,1976.- 56 с.

9. Маслий А.К. Электрооборудование шахтной электровозной откатки.- М.:Недра,1977.- 191 с.

10. Ренгевич А.А., Мехеда М.К. Расход энергии и разрядные режимы батарей при откатке аккумуляторными электровозами.-М.Госгортехиздат. Рудничный транспорт, 1962, $ 23.- 161 с.

11. Федоренко С.В. Исследование энергетических потерь рудничных электровозов:-Автореф. Дис. .канд.техн.наук.-Днепропетровск, 1977.- 21 с.

12. Шахтный и карьерный транспорт/ Под ред.Спиваковского А.С.-М.: Недра,1978.- 365 с.

13. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока.- Л.:Энергия,1973.- 304 с.

14. Булгаков А.А. Новая теория управляемых выпрямителей.- М.: Наука,1970.- 320 с.

15. Берзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока.-М.: Энергия,1974.- 255 с.

16. Бедфорт Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов/ Пер. с агл.-М.: Энергия,1969.- 280 с.

17. Лекоргийе Ж. Управляемые электрические вентили и их применение/ Пер. с франц.- М.: Энергия,1971.- 503 с.

18. Истомин С.Н. Рельсовый транспорт на угольных шахтах капиталистических стран.- М.: Недра,1968.- 35 с. с ил.

19. Исследование тиристорного привода и различных систем управления рудничных электровозов АМ8 /Чигиринский С.Е., Чернявский В.Н., Буряк А.Н.Сердюков Ю.П., Фельдман М.М., Лавроненко

20. А.И.- Уголь Украины, 1973,№ 6, с.32-35.

21. Аккумуляторные электровозы, управляемые тиристорами,для разработки штолень.- Сименс,1968, № 42, т.12,с.993-996.

22. Истомин С.Н. Рельсовый транспорт на угольных шахтах

23. Bovlc TTUEuteit, TLrstorsk rudnl k ,-M.:Недра,1968.- 35 с.22. komotiv/e scl cLcLtjLn&kLm u.prav Cjan je m. Tekn.Lk.cl ,1973,289.

24. Сапунков М.П., Юрин А.С., Динкель А.Д. Промышленные испытания тиристорной системы управления рудничными аккумуляторными электровозами.- Горные машины и автоматика,19697,с.

25. Тиристорно-импульсный бесконтактный преобразователь для управления рудничным электровозом с двигателями независимого возбуждения/ Ю.П.Гончаров, Н.В.Панасенко, Н.А.Тимченко и др.

26. Электротехническая промышленность. Сер.Тяговое и подъемно-транспортное электрооборудование,1978, № 6(60), с.II-14.

27. Чернявский В.Н., Буряк А.Н., Шабалов Ю.Н. Двухтактный импульсный преобразователь для управления рудничными аккумуляторными электровозами.- В кн.:Горные машины и автоматика.- М.:ЦНИЭИ-уголь, 1972, № 9(150), с.18-20.

28. Бардаш Ю.Ф., Буряк А.Н., Чернявский В.Н. Тиристорный электропривод рудничных электровозов.- М.: ЦНИЭИуголь,1975.- 41 с.

29. Гудалов В.П. Экспериментальное исследование режима работы аккумуляторных электровозов в производственных условиях.-В сб.:Вопросы конвеерного и рельсового транспорта в горной промышленности.- М.:Госгортехиздат,1963,с.162-203.

30. Сысоева В.А. Характеристики основных факторов,определяющих условия работы электровозной откатки в горной промышленности.-В сб.:Вопросы конвеерного и рельсового транспорта в горной промышленности,- М.:Госгортехиздат,1963, с.135-189.

31. Ренгевич А.А. Коэффициент сцепления рудничных электровозов.-В сб.:Вопросы рудничного транспорта.- М.:Госгортехиздат,1961, вып.5, с.227-247.

32. Ренгевич А.А. Исследование электровозной откатки на шахтах Донбасса.- Уголь Украины, 1961 8, с.30-32.

33. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей.- М.: Транспорт,1965.- 268 с.

34. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электровозного состава.- М.: Транспорт,1976.- 368 с.

35. Автоматизация электрического подвижного состава /Под ред. Д.Д.Захарченко.- М.: Транспорт,1978.- 297 с.

36. Феоктистов В.П. Исследование структур систем автоматического регулирования подвижного состава путем моделирования на ЦВМ: Автореф. Дис. .канд.техн.наук.- М.,1969.- 24 с.

37. Otmur Kre-fctelt. 3>Le £ck£eu^erv\/afbr$ckLckkeLt Von,

38. Sec.VuLerLertj^Lkr2egew, artd. cLle Profc^eme cLer-Berech.nu-Kt^.-SEektriscke. Bah.и.еп.,1976, У12 s.2.92-295.

39. Htroisu- Te-t^iuji, &ovto&e Hcctso, Kcxwa m,

40. Kt^oio-rit. J)eve£opmen.t oj. auiomotLe. сЦ^еЛеасе

41. JeedEacfe, CLdlh.e$lon. con-tiroE. dezLCu. AUDF .for e£ecirlc, roilcQ-y aiocfe. . Hiia,ckl 'ReV^ 1971^20 JV^ii^ p 442-449.

42. Шорш В.Г., Кутлунин В.А., Шилов Ю.П. Исследование динамики шахтного электровоза на электронной модели.- М.:Известия вузов. Горный журнал,1967,$ 6, с.118-121.

43. Ренгевич А.А., Шахтарь П.С., Володько К.П. Причины поломок осей рудничных электровозов.- В сб.:Вопросы рудничного транспорта. Под ред. Н.С.Полякова.- М.: Госгортехиздат,1962,с.192-203.

44. Ренгевич А.А. Исследование эксплуатационных режимов рудничной электровозной откатки: Автореф. Дис. .докт.техн.наук.-Днепропетровск,1962.- 42 с.

45. Рысьев А.В. К некоторым вопросам теории рудничной электровозной откатки.- Записки ЛГИ,1948, т.22, часть 2, с.51-53.

46. Анискин Б.Г. Исследование характеристик рудничного электровоза в режиме буксования колес: Автореф. Дис. . канд.техн. наук.- Ленинград,1968.- 23 с.

47. Исследование динамики шахтного электровозного транспорта/ В.Г.Шорин, В.А.Кутулин, Л.П.Стрельников, Ю.П.Шилов, Л.Г.Те-рентьев.- М.: Недра,1965.- 90 с.

48. Майбога В.А. Анализ электромагнитных процессов в импульсном преобразователе постоянного тока.- Электричество,1970,$ 9, с.35-42.

49. Андрущук В.В. Анализ электромагнитных процессов" тиристорныхширотно-импульсных преобразователей.- Электричество, 1973,IJa 2, с.36-39.

50. Пирощенко В.Х. Полупроводниковые преобразователи для электропривода рудничных электровозов.- Электротехника,1973,№ 9,с.8-10.

51. Системы управления контактными-электровозами/ Г.И.Бедняк, В.П.Левенец, В.Н.Чернявский и др.- Экспресс-информация. М.:ЦНИЭИуголь,1980.- 38 с.

52. Электропоезда постоянного тока с импульсными преобразователями /Под ред.В.Е.Розенфельда.- М.: Транспорт,1976.- 278 с.

53. Тихменев Б.Н., Голованов В.А., Радченко В.Д. Электроподвижный состав с полупроводниковыми преобразователями.- М.: Транспорт, 1967.- 306 с.

54. Любимов Э.В., Сапунков М.Л. Исследование на АВМ процессов в приводе рудничного аккумуляторного электровоза при импульсном регулировании двигателей.- Электричество,1974I, с.46-50.

55. Волотковский С.А., Литвинский Л.Б, Применение принципа максимума для расчета оптимального управления тяговыми двигателями рудничных электровозов.- Электричество, 1971, № 5,с.72-73.

56. Хлыстун В.И. Оптимальное управление электровозом АМ8 при пуске.- Изв.вузов. Горный журнал, 19732, с.ПО-ПЗ.

57. Розеншток Б.Я. Исследование тиристорного электропривода рудничного электровоза с автоматической защитой от проскальзываний: Автореф. Дис. . .канд.техн.наук.- Кемерово,1972.-20 с.

58. Беляев И.П., Клейменов В.В. Исследование режимов буксования газотурбовоза на электронной модели.- Изв.вузов. Электромеханика, I960.J& I, с. 16-29.

59. Федоренко С.В. Определение сопротивлений движению рудничных электровозов.- В кн.:Шахтный и карьерный транспорт. Под ред. А.0.Спиваковского.- М.: Недра,1974, с.300-303.

60. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления.- М.: Транспорт,1970.- 184 с.

61. Архангельский Б.И. Аналитическое выражение кривой намагничивания электрических машин.- Электричество,1950I, с.31-33.

62. Сизов А.Б., Кутовой Ю.Н., Паршикова О.И. К расчету характеристик тяговых электродвигателей рудничного электровоза.-Вестн.Харьк.пслитехн.ин-та,1980,№ 66. Электромашиностроение и автоматизация пром.предприятий, вып.5, с.65-67.

63. Рудничный аккутдуляторный электровоз АМ8: Инструкция по эксплуатации.- М.: Внешторгиздат,1968.- 50 с.

64. Алексеев И.П. Определение индуктивности цепи якоря тяговых электродвигателей последовательного возбуждения.- В сб.: Электротехническая промышленность. Сер.Тяговое и подъемно-транспортное электрооборудование,1972, вып.1(9),с.8-12.

65. Ser-a/tow Ssiuyicction. o^ tke truco"tLoru err-or- In. Ruiuje-Kutta. artel attiendL-Comput T^964, vo£, 7 JfS, p. 246-248.

66. Рафалес-Ламарка Э.Э., Николаев Б.Г. Некоторые методы планирования и математического анализа биологических экспериментов.-К.: Наукова думка,1971.- 119 с.

67. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы.- М.: Энергоиздат,1981.- 304 с.

68. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- М.: Наука,1971.-283 с.

69. Шенк X. Теория инженерного эксперимента.- М.: Мир,1972.-382 с.

70. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике.- М.: Энергия,1975.- 184 с.

71. Защита электроподвижного состава от боксования /П.И.Гордиен-ко, А.Е.Ковалева, П.К.Штепенко и др.- М.: Информэлектро, 1971.- 41 с.

72. Фокин М.Д., Лоскутов А.А., Второв А.К. Противогазные устройства подвижного состава.- М.: Транспорт,1970.- 103 с.

73. Ардатский Н.И., Гарничев Д.А. Устройство для контроля боксования колесных пар электроподвижного состава.- А.с.}£ 202200 (СССР). Бюллетень изобретений J6 19,1967.

74. А.с. 578206 (СССР). Устройство для обнаружения буксования локомотива/ ВД.Конюх, Я.М.Киселев.- Опубл. в Б.И. ,197740.

75. Вайсман М.А. Алгоритм для построения надежных систем противобоксовочной защиты скоростного электроподвижного состава.-Сообщения Академии наук ГССР,т.56,№ 1,1969,с.I8I-I84

76. Исаев И.П. О структуре систем предупреждения боксования колес локомотива.- Тр.Московок.ин-та инж.ж.д.трансп.,1971,№ 373,с.3-9.

77. Бесконтактное измерение скорости подвижного состава и скольжения колесных пар/ А.И.Гольдштейн, А.М.Фурмитов, Н.И.Ардат-ский и др.- М.: НИИинформтяжмаш,1977,^ 5-77-12,0.32-35.

78. А.с. 422642 (СССР). Устройство для обнаружения боксования и юза колеса транспортного средства/ В.П.Шахов.- Опубл. в Б.И., 1974, & 13.

79. А.с. 990555 (СССР). Устройство для определения скольжения колесной пары транспортного средства/ В.Б.Клепиков, Ю.Н.Ку-товой, Е.С.Гапчинский и др.- Опубл. в Б.И.,1983,№ 3.

80. Цифроаналоговые системы автоматического управления /В.М.Тро-хин, В.М.Перельмутер, В.И.Энтина и др.- К.:Техн1ка,1979.-110с.

81. Трачик В. Дискретные устройства автоматики.- М.: Энергия, 1978.- 456 с.

82. Проектирование бесконтатных управляющих логических устройств промышленной автоматики/ Г.Р.Грейнер, В.П.Ильяшенко, В.П.Май и др.- М.: Энергия,1977.- 384 с.

83. Кутовой Ю.Н., Сизов А.Б., Малахов А.И. Синтез логического узла выделения разности частот.- Вестн.Харьк.политехи.ин-та, 1981, № 180. Сер.Электромашиностроение и автоматизация промышленных предприятий, вып.6, с.71-74.

84. Сергеев Н.П. Дифференцирующее устройство для обработки частотной информации.- Изв.вузов. Приборостроение,1968,№ 3с.13-15.

85. Карпов Р.Г. Техника частотно-импульсного моделирования.-М.: Машиностроение, 1969.- 247 с.

86. Новицкий П.В., Кноринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками.- JI.: Энергия, 1970.- 423 с.

87. Клепиков В.Б., Кутовой Ю.Н., Сизов А.Б. Определение зоны нечувствительности устройства распознавания буксования колес рудничного электровоза.- В сб.:Горная электромеханика и автоматика.- К.: Техн1ка, 1981, № 39, с.105-108.

88. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода.-М.:Энергия,1971.-432 с.

89. Клепиков В.Б., Кутовой Ю.Н., Козырь А.Г. Определение коэффициента передачи устройства распознавания боксованин.-Вестн. Харьк.политехи.ин-та,1982,.№ 191. Сер.Электромашиностроениеи автоматизация пром.предприятий, вып.7, с.61-62.

90. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование.- М.: Машиностроение, 1978.- 736 с.

91. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики.- М.-Л.: Госэнергоиздат,1962.- 600 с.

92. Уайлд Д.Дж. Методы поиска экстремума.- М.: Наука,1967.-268 с.

93. Автоматическая оптимизация управляемых систем/ Под ред.Б.Н. Петрова.- М.: изд-во ИЛ, I960.- 240 с.

94. Власов К.П. Специальный курс по теории автоматического управления: Учебное пособие.- Харьков,1974.- 198 с.

95. Истомин Н.С. 0 выборе схемы стенда для исследования локомотивов.- Изв.вузов. Горный журнал,1958,№ 10, с.100-107.

96. А.с. 717606 (СССР). Устройство для исследования рудничных локомотивов/ 0.В.Клочков, Ю.Я.Зрянин, Н.С.Петунин и др.1. Опубл. в Б.И.,1980, № 7.

97. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга.- М.: Недра, I960.- 399 с.

98. Лещинский Я.И. Технико-экономические расчеты при проектировании аппаратуры и систем автоматики.- М.: Московский университет, 1970.- 198 с.

99. Ордынцев В.М. Математическое описание объектов автоматизации.- М.: Машиностроение, 1965.- 360 с.

100. Математические основы теории автоматического регулирования, т.I / Под ред.Б.К.Чемоданова.- М.: ВШ, 1977.- 366 с.

101. Тимофеев В.А. Инженерные методы расчета и исследования динамических систем.- Л.: Энергия,1975,- 320 с.шл^мнайл^лшьим»^а -во»шт^нагаччгавйсз!*» я* в» >■& га в ш••в "Л A Umi М» t"w1. Л» f4S П <v>t » -лвш в» «1. Я»'тттт-^лттв» <® as®«а са т ттти.