Тяговые электроприводы постоянного тока Statex IIIe™

Компания General Electric выпускает электротрансмиссии постоянного тока с системой управления Statex IIIe™ для каpьеpных самосвалов грузоподъемностью от 110 до 220 тонн* оборудованные тяговыми дизельными двигателями мощностью 1200–2500 л.с. (900–1900 кВт).

Использование электpопpивода, как известно, исключает необходимость использования механического пеpеключения пеpедач во всем диапазоне скоpостей самосвала. Необходимый кpутящий момент и частота вpащения колес обеспечивается силой тока и напpяжением поступающим на тяговый электpодвигатель, а система возбуждения мотора обеспечивает плавное изменение его мощности пpи движении. Паpаметpы системы пpивода оптимизиpуются алгоpитмом системы упpавления тяговыми хаpактеpистиками. Электpический пpивод может осуществлять электрическое торможение, пеpеводя тяговые электpодвигатели в генеpатоpный pежим, что уменьшает износ основных тоpмозов каpьеpного самосвала. В этом случае кинетическая энеpгия движения каpьеpного самосвала пpеобpазуется в электpическую и pассеивается в виде тепла на блоке охлаждаемых pезистоpов.

В состав тягового электропривода постоянного тока GE входят генератор переменного тока, микропроцессорная система управления, блок резисторов для динамического торможения, мотор-колеса (рис. 1). Мотор-колесо в свою очередь представляет собой агрегат из тягового двигателя и редуктора в едином корпусе.


Рис. 1 Система тягового электропривода постоянного тока
General Electric для карьерных самосвалов

Незначительное число изнашиваемых компонентов электрического тягового привода, по сравнению с механическим, обеспечивает низкие эксплуатационные расходы (на техническое обслуживание и запасные части) и высокий коэффициент технической готовности самосвала. При этом процедуры технического обслуживания электромеханической трансмиссии значительно проще.

Тяговые электроприводы General Electric с системой управления Statex более за чем 25 лет их производства непрерывно модернизировались, и в настоящее время в их конструкции используются новейшие технические решения, учитывающие как возможности современных материалов и компонентов, так и обширнейший опыт GE в области эксплуатации и технического обслуживания тяговых электроприводов карьерных самосвалов.

Надежная и проверенная в самых разнообразных условиях эксплуатации система микропроцессорного управления обеспечивает высокую производительность и КПД самосвала, позволяя гибко настраивать параметры тягового электропривода для работы в условиях конкретного карьера, а также снижает износ компонентов самосвала.

Двигатели с независимым возбуждением

В электроприводах Statex IIIe™ используются тяговые двигатели с независимым возбуждением. Такая конструкция была разработана и стала использоваться в тяговых электроприводах GE более 25 лет назад. Обмотки возбуждения таких двигателей содержат больше витков провода меньшего сечения и, таким образом, работают с меньшим током возбуждения. Соотношение числа витков обмоток независимого и последовательного возбуждения приблизительно составляет один к четырем. Таким образом, всего четверть тока последовательной обмотки возбуждения необходима для поддержания тех же«ампер-витков» в обмотке независимого возбуждения. Меньший, по сравнению с последовательным возбуждением, ток позволяет использовать кабели меньшего сечения и маломощную коммутирующую аппаратуру. Например, в электроприводе с последовательным возбуждением тяговые двигатели в заднем мосту самосвала соединены с панелью управления на палубе самосвала четырьмя кабелями большого сечения. В то же время в электроприводе с независимым возбуждением для этого используются два кабеля меньшего сечения, а номинал реверсора приблизительно в два раза ниже используемого в системе с последовательным возбуждением. Кроме того, некоторыми из преимуществ электропривода с независимым возбуждением перед последовательными системами является возможность регулирования возбуждения независимо от тока якоря, улучшенные тепловые характеристики двигателя, а также возможность поддержания одинакового момента на обоих тяговых двигателях. Так как для поддержания одного и того же момента на валу двигателя уровень тока возбуждения в системе с независимым возбуждением (Statex) ниже уровня тока возбужения в последовательной системе, то двигатель в системе Statex будет меньше нагреваться и, соответственно, сможет позволить самосвалу преодолевать более затяжные подъемы, а это, в свою очередь, повысит его КПД и производительность.

Улучшенная конструкция генератора

В конструкции тягового генератора предусмотрен вентилятор с двумя крыльчатками: одна для охлаждения самого генератора, другая – для охлаждения обоих моторколес. Такое решение обеспечивает снижение потерь мощности на вентиляторе, увеличивая тем самым общий КПД системы. Кроме того, отдельная крыльчатка для мотор-колес обеспечивает их наиболее эффективное охлаждение.

Контроль режима торможения

Эта функция позволяет автоматически поддерживать скорость самосвала при движении под уклон. Система управления отслеживает частоту вращения каждого мотор-колеса при движении под уклон, снижая скольжение шин вызванное более высоким уровнем торможения, чем необходимо. Режим торможения будет регулироваться, если при торможении самосвал движется со скоростью выше установленной водителем, и педаль акселератора отпущена .

Другим преимуществом этой функции является снижение тенденции самосвала к «заносу» при движении по скользкой дороге. Коррекция пробуксовки колес уменьшает износ покрышек и обеспечивает экономию до одного комплекта шин в год для каждого самосвала.

Двухрежимная уставка максимальной скорости

Данная функция позволяет устанавливать значение максимально допустимой скорости движения самосвала в зависимости от его загрузки (рис. 2). Выбор максимального значения производится автоматически в соответствии с данными датчиков массы, установленными на самосвале. Ранее единственное ограничение максимальной скорости устанавливалось для режима движения нагруженного самосвала на максимальном уклоне. Это ограничивало возможную более высокую скорость на других участках дороги или в ненагруженном состоянии. Используя двухрежимную уставку максимальной скорости (меньшая – для нагруженного самосвала и большая – для пустого), можно увеличить среднюю скорость движения самосвала и, следовательно, его производительность.


Рис. 2 Двухпозиционная уставка максимальной скорости

Программа экономии топлива

С помощью частотного сигнала Statex IIIe™ регулирует частоту вращения вала дизельного двигателя, регулируя ее в соответствии с режимом движения самосвала и уменьшая, по возможности, уровень потребления топлива. На рис. 3 показана блок-схема системы экономии топлива. Применение различных датчиков (скорости вращения и температуры обмоток тяговых двигателей, температуры воздуха на охлаждение генератора и др.) позволяет отслеживать текущие параметры и регулировать частоту вращения дизельного двигателя.


Рис. 3 Блок-схема системы экономии топлива

В тяговом режиме сигналы датчиков обрабатываются в соответствии со стандартным алгоритмом. Если выполняются определенные условия, и уровни этих сигналов находятся в пределах заданных значений, то частота вращения вала дизельного двигателя может быть снижена без снижения общей производительности самосвала. Эти условия определяются расчетом мощности дизельного двигателя, требуемой для поддержания заданной скорости самосвала. Например, при работе на плоском профиле для поддержания максимальной (ограниченной) скорости полная мощность дизельного двигателя не требуется. В таких условиях дизель самосвала при отключенной программе экономии топлива будет работать на своих максимальных оборотах и будет расходовать больше топлива, чем необходимо. При включенной программе экономии топлива будет рассчитана мощность дизеля, требуемая для поддержания заданной (ограниченной) скорости самосвала и, соответственно, подстроена (снижена) частота вращения вала дизеля до 1250–1350 об/мин.


Табл. 1 Уровни экономии топлива

Таким образом, самосвал будет работать в режиме экономии топлива всегда, когда педаль акселератора полностью нажата, скорость самосвала достигает разрешенного максимума, а рассчитанная требуемая мощность дизеля ниже его номинальной мощности.

В режиме торможения при отключенной программе экономии топлива дизель самосвала будет работать на максимальных оборотах (приблизительно 1600 об/мин) в течение всего времени торможения. Напротив, при включенной программе экономии топлива обороты дизеля будут изменяться в диапазоне 1250 и 1600 об/мин в зависимости от температурных режимов компонетнов системы. Дизель будет работать на оборотах ниже максимальных, снижая тем самым уровень потребления топлива. Кроме того, работа дизеля на низких оборотах позволяет снизить износ его деталей и повысить срок его службы.

Работа дизеля на более низких оборотах одновременно с сохранением производительности самосвала позволяет добиваться значительной экономии топлива. В табл. 1 приведены приблизительные значения уровня экономии топлива на различных участках профиля. В зависимости от конкретного профиля общая экономия топлива может достигать 5–9%.

Эти данные были подтверждены сравнением работы электротрансмиссий Statex IIIe™ с включенной и выключенной программой экономии топлива. В табл. 2 показан профиль типового карьера и уровни расхода топлива на его участках.

Техническое обслуживание

Начиная с тягового электропривода Statex II GE, вместо релейно-контакторных схем использует полупроводники. В результате исключается необходимость технического обслуживания контактов – одного из уязвимых, с точки зрения надежности, узлов.

Использование микропроцессорной системы управления в электротрансмиссии Statex IIIe™ сделало возможным быструю загрузку файлов конфигурации, что позволяет перепрограммировать систему управления менее чем за 5 минут.

Наряду с гибкостью программирования и настройки, в электротрансмиссиях Statex IIIe™ расширены возможности диагностики неисправностей. Система управления электропривода включает в себя и диагностическое оборудование, позволяющее обслуживающему персоналу быстро выявлять возникшие неполадки и устранять их в минимальные сроки, сокращая простои самосвалов. Каждой неисправности присвоен код, который высвечивается на дисплее, а в руководстве по эксплуатации Statex III приведены описания каждой неисправности и способы их устранения. Для более детального изучения неисправностей, а также для программирования системы управления может использоваться портативный компьютер со специальным программным обеспечением.


Табл. 2 Расчет общей экономии топлива в карьере с типовым профилем

Еще одной из функций Statex III является возможность статистической записи параметров тягового электропривода при эксплуатации самосвала. Любую неисправность можно анализировать, сравнивая записанные параметры до, во время и после неисправности. Записанные данные можно распечатать или сохранить на электронном носителе. Кроме того, записанные данные могут использоваться для анализа производительности самосвала и планирования его технического обслуживания. Программное обеспечение для портативных компьютеров “wPTU Toolbox” на базе ОС Windows® упрощает обработку параметров карьерного самосвала и обеспечивает их графическое представление в реальном времени.

GE Transportation pазpаботала пеpвый электpической пpивод для каpьеpных самосвалов более 40 лет назад. Сегодня GE является ведущим поставщиком электpопpиводов для гоpнодобывающей пpомышленности: почти 4000 пеpедач GE pаботает в каpьеpах более 35 стpан миpа. Благодаpя констpукции, высококачественному пpоизводству и обслуживанию при эксплуатации, GE непpеpывно повышает эффективность pаботы обоpудования, использующегося пpи pазpаботках полезных ископаемых.


Табл. 3 General Electric: Тяговые электроприводы постоянного тока

Журнал "Горная Промышленность" №6 2004