Комплекты тягового электрооборудования для карьерных самосвалов большой грузоподъёмности

Рассмотрены основные технические характеристики и отличительные особенности комплектов тягового электрооборудования переменно-переменного тока для карьерных самосвалов грузоподъёмностью 90 и 240 тонн, разработанных на предприятиях электротехнического концерна «Русэлпром».

Функциональная схема КТЭО БЕЛАЗ-240
Рис. 1. Функциональная схема КТЭО БЕЛАЗ-240

В последние годы на предприятиях, занимающихся открытой разработкой полезных ископаемых, активно идёт процесс внедрения карьерных самосвалов большой грузоподъёмности, использующих в качестве трансмиссии электрический привод переменно-переменного тока.

В сравнении с электроприводом постоянного тока, он позволяет повысить надёжность самосвала, снизить стоимость жизненного цикла и одного тонно-километра перевозок. Это достигается за счёт повышения ресурса работы элементов электромеханической и преобразовательной части привода, увеличения тягового и тормозного усилий, расширения скоростного диапазона их эффективного действия, повышения максимальной скорости движения гружёного самосвала и эффективности электропривода в целом.

Дополнительным эффектом является существенное повышение качества управления самосвалом практически во всех режимах движения, достигаемое за счёт повышения быстродействия и точности отработки заданного момента, введения специфических режимов работы, таких как антипроскальзывание колёс и удержание самосвала в неподвижном состоянии.

Ёмкостный фильтр выполнен на плё- ночных конденсаторах с многослойной ламинированной шиной
Рис.2

Имеющиеся на данный момент в этой области единичные технические решения либо не удовлетворяют потребителей по стоимости самого продукта и его сервисного обслуживания, как в случае с импортными КТЭО, либо по его качеству, как в случае с отечественным производителем.

Перед предприятиями концерна «Русэлпром» (ПАО «НИПТИЭМ» (г. Владимир) в части разработки и производства преобразователей и систем управления и ООО «Русэлпром-СЭЗ» (г. Сафоново) в части разработки и производства электрических машин) была поставлена задача создания комплектов тягового электрооборудования (КТЭО) переменно-переменного тока, предназначенных для применения в карьерных самосвалах БелАЗ грузоподъёмностью 240 и 90 тонн, в целом не уступающих, а по ряду показателей превосходящих технические характеристики ведущих мировых производителей, но более привлекательных по стоимости изделия и сниженным издержкам эксплуатации.

Разработчики проделали большой объём научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по данной теме, основные результаты которых отражены в статьях и докладах на международных научно-технических конференциях [1-5]. В настоящей статье акцент сделан на отличительных особенностях КТЭО и его тех. характеристиках.

На рис. 1 представлена функциональная схема КТЭО БелАЗ-240, а в таблице 1 — основные технические характеристики и режимы работы КТЭО самосвалов грузоподъёмностью 240 и 90 тонн.

Схемы выпрямителя и силовых преобразователей, набор управляющих контроллеров и их взаимосвязь в целом понятны из рисунка.

Отдельно отметим следующие особенности силовой части КТЭО.

Особенности силовой части КТЭО

Жидкостное охлаждение всех силовых приборов выполняется посредством циркуляционного насоса с асинхронным двигателем
Рис.3

• В качестве генератора в КТЭО используется синхронная машина с электромагнитным возбуждением, оснащённая двумя группами трёхфазных обмоток на статоре, сдвинутых на 30°, питающих два неуправляемых выпрямителя, выполненных на изолированных диодных модулях на нитрид-алюминиевой керамике, установленных на радиаторы с жидкостным охлаждением.

Ёмкостный фильтр выполнен на плёночных конденсаторах с многослойной ламинированной шиной (рис. 2);

• Жидкостное охлаждение всех силовых приборов выполняется посредством циркуляционного насоса с асинхронным двигателем (рис.3), управляемым от собственного IGBT-инвертора (ИП-СОХ).

Силовой преобразователь систе- мы возбуждения тягового генератора
Рис. 4

Групповое принудительное воздушное охлаждение теплообменников, а также обмоток синхронного тягового генератора (СТГ) и тяговых асинхронных двигателей (ТАД) производится крыльчаткой вентилятора, установленного на валу СТГ.

В отличие от КТЭО БелАЗ-240, система охлаждения шкафа преобразователей и системы управления (ШПСУ) КТЭО БелАЗ-90 является чисто воздушной.

• В первых образцах КТЭО использованы интеллектуальные силовые модули 4-го поколения SKiiP-4 фирмы Semikron (рис.5) с увеличенной до +175 °С температурой чипов и в 5 раз повышенной стойкостью к термоциклированию, полученной за счёт применения технологии низкотемпературного спекания (вместо традиционной пайки чипов) и прижимной конструкции внутренней шины.

Модули оптимизированы под транспортное применение, позволяют снизить потери, повысить надёжность и обеспечить расширенные диагностические возможности системы.

Параллельно проработаны варианты альтернативного использования в ШПСУ силовых модулей других производителей, положительно зарекомендовавших себя на рынке силовой электроники, в частности, фирмы Infineon.

• Силовой преобразователь системы возбуждения тягового генератора (СВТГ) выполнен по схеме: неуправляемый выпрямитель — понижающий DC/DC преобразователь на IGBT-чоппере с ШИМ (рис.4). Для реализации защитных функций также используются сигналы датчиков перегрева обмоток и подшипниковых узлов СТГ.

Развитые средства защит и самодиагностики позволяют предупреждать аварийные ситуации, локализовать места их возникновения до функционального элемента. Такой подход, а также модульная конструкция силовых элементов и блоков существенно сокращают временные затраты на устранение неисправностей.

Основные особенности системы управления КТЭО

 Технические характеристики КТЭО
Таблица 1. Технические характеристики КТЭО

• Оптимизированная по КПД адаптивно-векторная система управления тяговыми приводами позволяет существенно повысить качество управления самосвалом во всех режимах его работы, существенно повысить общий КПД системы «силовой преобразователь — двигатель» в зависимости от скорости движения и нагрузки.

Она обеспечивает максимально полное использование возможностей силовой электроники и электрических машин, тем самым минимизируя стоимость КТЭО при заданном уровне предельной механической характеристики.

В результате, КПД трансмиссии с данным КТЭО достигает 88%, а погрешность отработки заданного момента не превышает 5% во всём диапазоне скоростей и нагрузок.

• Система управления приводом инвариантна к более чем двухкратным изменениям активных сопротивлений и индуктивностей электрических машин, возникающим в процессе эксплуатации КТЭО, учитывает процессы в стали магнитопроводов, обеспечивает предельное значение быстродействия контура регулирования момента в условиях наложенных на систему физических ограничений, надёжно работает при очень широком диапазоне регулирования переменных в области ослабления поля (более 15:1), что позволяет сформировать требуемую тяговую и тормозную характеристики самосвала вплоть до 65 км/час.

• Для повышения надёжности функционирования инверторов ТАД в предельных режимах реализован частотно-зависимый температурный дерейтинг. Данная функция контролирует максимальную величину выходного тока инвертора (электромагнитного момента двигателя) в зависимости от текущего значения выходной частоты и температуры подложки IGBT-модуля таким образом, чтобы не было превышено предельное значение температуры кристаллов.

Функция реализована на основе динамической тепловой модели силовых модулей и позволяет достигнуть максимального использования возможностей силовых ключей в пределах выбранного типоразмера. Проверка функционирования выполнена для всего спектра выходных частот инвертора, в том числе при работе с заторможенным валом, когда разница между средними и пиковыми значениями температуры кристаллов достигает 50 °С.

• Трёхконтурная система регулирования возбуждением СТГ настроена на отработку ступенчатого наброса/сброса номинальной нагрузки в звене постоянного тока (ЗПТ) за 50 мс по критерию компромисса между быстродействием и уровнем пульсаций напряжения ЗПТ.

• Контроллер верхнего уровня (КВУ) по шине CAN управляет контроллером дизеля и контроллерами силовых преобразователей.

Управление оборотами дизеля осуществляется с использованием алгоритмов оптимизации потребления топлива в зависимости от условий движения и загрузки. Алгоритмы управления движением включают функции антибукса, антиюза и противоотката при остановке на уклоне.

интеллектуальные силовые модули 4-го поколения SKiiP-4 фирмы Semikron
Рис.5

• В качестве опции КТЭО может поставляться со встроенной системой управления микроклиматом (СУМК) ШПСУ, предназначенной для повышения надёжности работы оборудования в условиях воздействия экстремально низких температур окружающей среды, их резких перепадов и проникновения влаги внутрь герметичного корпуса шкафа, например, при его открытии или разгерметизации во влажной среде.

Основными задачами СУМК являются диагностика температуры и влажности внутри ШПСУ при работе и простое самосвала; выявление и автоматическое устранение последствий воздействия резких перепадов температур и влаги.

Программно-аппаратные средства СУМК включают в себя встроенный подогрев, пассивные и активные элементы влаговыведения, систему управления потоком охлаждающего воздуха, алгоритм просушки силовых элементов КТЭО (силовых модулей, ТАДов, СТГ, УВТРов) на безопасно-низком напряжении, алгоритм холодного старта и безопасного выхода в рабочие режимы.

Результаты испытаний КТЭО

Стендовые испытания КТЭО проводились на испытательных площадках ООО «Русэлпром-СЭз» (г. Сафоново) и в составе самосвала — на полигоне ОАО «БелАЗ». КТЭО успешно выдержали все проверки, предусмотренные программой испытаний.

график реверса скоро- сти привода ТАд с её максимального значения по предельной тормозной (540 кВт/5200 нм) и тяговой (380 кВт /9100 нм) характеристикам в режиме ХХ
Рис. 6
графики температур силовых модулей инвертора (T_inv1.. T_inv4) и обмотки двигателя (T_w)
Рис.7

На рис. 6 и 7 представлены, соответственно, график реверса скорости привода ТАД с её максимального значения по предельной тормозной (540 кВт/5200 нм) и тяговой (380 кВт/9100 нм) характеристикам в режиме ХХ и графики температур силовых модулей инвертора (T_inv1.. T_inv4) и обмотки двигателя (T_w), полученные на стенде в наиболее тяжёлом температурном режиме работы КТЭО белАз-90, соответствующем торможению самосвала с предельным моментом и мощностью (540 кВт на валу каждого ТАД). T_inv4 — температура ключа, управляющего тормозным резистором (УВТР на рис.1). Обороты СТГ изменялись в процессе испытаний: начало на 1100 об/мин, через 20 мин —1300 об/мин, ещё через 10 мин — 1500 об/мин.

На рис. 8 показан общий вид стенда при проведении стендовых испытаний КТЭО БелАЗ-90.

общий вид стенда при проведении стендовых испытаний кТЭО белАз-90.
Рис.8

Результаты стендовых и объектных испытаний позволяют сделать вывод о том, что поставленная задача создания отечественного КТЭО переменно-переменного тока для карьерных самосвалов большой грузоподъёмности, в целом не уступающего, а по ряду характеристик превосходящего лучшие мировые аналоги, успешно решена.

При этом стоимость КТЭО в изделии и, что не менее важно, в техническом обслуживании значительно ниже импортных аналогов.

В настоящее время ведутся работы по подготовке серийного производства, обучению обслуживающего персонала, расширению линейки типоразмеров КТЭО. Внедрение КТЭО предполагается осуществлять в составе новых карьерных самосвалов, выпускаемых ОАО «БЕЛАЗ», на предприятиях, занимающихся открытой разработкой полезных ископаемых, а также на модернизацию парка самосвалов, КТЭО которых по каким-то причинам вышло из строя либо не устраивает эксплуатирующие организации.

Список литературы

1. Виноградов А. Б., Гнездов Н. Е., Журавлев С. В., Сибирцев А. Н. Результаты разработки и испытаний комплекта электрооборудования карьерного самосвала грузоподъёмностью 240т // Электротехника — 2015.- №3, с. 38-45.

2. Виноградов А. Б., Гнездов Н. Е. Система возбуждения тягового генератора электромеханической трансмиссии карьерного самосвала грузоподъемностью 240 тонн //Вестник ИГЭУ. – 2015. — Вып.1. – С. 36-41.

3. Коротков А. А., Чистосердов В. Л., Сибирцев М. А., Виноградов А. Б. Реализация режима удержания карьерного самосвала в неподвижном состоянии // Труды IX Междунар. (XX Всероссийской) конфер. по автоматизир. электроприводу (АЭП-2016). – Пермь, 3-7 окт., 2016г. – С.419–422.

4. Чистосердов В. Л., Коротков А. А., Сибирцев М. А., Виноградов А. Б. Разработка и исследование алгоритмов антипроскальзывания карьерного самосвала // Труды IX Междунар. (XX Всероссийской) конфер. по автоматизир. электроприводу (АЭП-2016). –Пермь, 3-7 окт., 2016г. – С.548–551.

5. Виноградов А. Б., Гнездов Н. Е., Журавлев С. В., Сибирцев А. Н. Разработка и исследование комплекта тягового электрооборудования карьерного самосвала грузоподъемностью 240 тонн // Труды VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП2014: в 2 т. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. – С. 261-263.


Текст: А. Б. Виноградов, д.т.н., В. Л. Чистосердов, к.т.н., А. Н. Сибирцев (ПАО «НИПТИЭМ», г. Владимир)

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.