Вентильные двигатели для большегрузных самосвалов

Б.П.Васильев, директор по продажам ООО «ПО «Ленинградский электро-машиностроительный завод»

В.Г.Кучинский, д.т.н., нач. отдела НИИ электрофизической аппаратуры


Одним из перспективных направлений по улучшению основных показателей приводного электрооборудования для колесного транспорта является использование вентильных двигателей с системой возбуждения, основанной на постоянных магнитах.

Основными преимуществами этих двигателей являются:

•    хорошие пусковые и регулировочные характеристики;

•    высокий КПД, благодаря отсутствию потерь на возбуждение;

•    более высокие удельные характеристики;

•    повышенная надежность работы.

Система электродвижения может быть условно разделена на следующие основные блоки или подсистемы: блок первичного энергопитания, блок двигателя, блок датчиков и защит, блок охлаждения, блок управления.

Предлагаемая система электродвижения передает момент на колесо через одноступенчатый редуктор. Полный отказ от редукторов приводит к значительному увеличению габаритов двигателей, что затрудняет их компоновку в выделенной зоне самосвала.

В связи с незначительным различием в требуемой мощности систем электродвижения для 136-тонного (2(520 кВт) и для 200-тонного (2(600 кВт) самосвалов предлагается использовать унифицированную систему электродвижения с некоторым различием лишь в коэффициенте редукции (К): соответственно, К = 6 и К=8.

Характеристики системы электродвижения во многом определяются параметрами первичного энергопитания, и, прежде всего, уровнем напряжения. Оптимальным уровнем напряжения питания можно считать такое максимально допустимое значение, при котором наиболее полно используются параметры полупроводниковых элементов блока преобразователей. При этом возможно использование полностью управляемых, но более слаботочных приборов, или же сильноточных тиристоров с предельными показателями единичного прибора, но требующих в ряде схем систем выключения. Как одно, так и другое решение имеет свои плюсы и минусы.

Учитывая современный уровень отечественных разработок полупроводниковой техники, на данном этапе была выбрана элементная база на основе сильноточных тиристоров. При этом не исключается и переход на отечественные элементы типа ЮВТ при условии их совершенствования и снижении стоимости.

Выбранные силовые тиристоры с успехом обеспечивают работу при напряжении до 2500 В. В связи с этим, оценки были выполнены на напряжение питания до ±1000 В c возможностью переключения двух выпрямителей имеющегося бортового генератора в последовательное соединение при необходимости работы на предельных оборотах.

Центральным звеном системы электродвижения является вентильный электродвигатель. Для обеспечения требуемых характеристик он является многополюсной машиной с системой возбуждения на основе постоянных магнитов.

Система возбуждения выполняется на основе сильных постоянных магнитов. Для этого используются магниты типа 3Ре-В, которые несколько мощнее чем 8т-Со, а также дешевле их. В выбранном варианте двигателя используется схема с концентрацией магнитного потока в воздушном зазоре для улучшения удельных характеристик.

Магнитопровод как ротора, так и статора выполняется из шихтованной электротехнической стали для снижения потерь. Статорная обмотка выполняется из меди и имеет жидкостное охлаждение. При выполнении статорной обмотки традиционными методами лобовые части обмотки могут вносить существенный вклад в полную длину машины. В связи с этим рассматривается вариант с использованием зоны под лобовыми частями для размещения других подсистем.

Принципиальные схемы блока преобразователей, осуществляющего питание статорной обмотки, могут быть выполнены по нескольким вариантам. Одним из них является применение звеньев преобразователя постоянного напряжения (ППП) и трехфазных автономных инверторов тока (АИТ). При этом все обмотки двигателя объединяются в две трехфазные системы, каждая из которых питается независимо от своего инвертора с соответствующим сдвигом фаз.

Для обеспечения оптимальных характеристик АИТ выполняются по схеме с искусственной коммутацией. Система электродвижения сохраняет свою работоспособность даже при одном работающем канале, но с пониженными выходными параметрами.

Для снижения величины установленной мощности полупроводниковых приборов в системе электродвижения предусматривается проводить переключение выпрямителей генератора в последовательное или параллельное соединение, а также переключать выводы полуфаз статорной обмотки двигателей в последовательное или параллельное соединение.

Предлагаемая система электродвижения в этом случае позволяет при питании от генератора типа ГС523 обеспечить (при необходимости) поддержание номинальной мощности 1200 кВт в диапазоне оборотов от 12 об/мин до 80 об/мин, а в диапазоне до 12 об/мин иметь максимальный пусковой момент на колесе до 502 кН·м.

Для возможности осуществления режима электромагнитного торможения в систему включено звено динамического торможения с выделением энергии в балластных сопротивлениях.

Управление системой электродвижения предлагается проводить с помощью двух педалей «Ход» и «Тормоз», а также рычага переключения направления движения «Вперед» или «Назад». При нажатии педали «Ход» происходит разгон самосвала до скорости, определяемой степенью нажатия педали и условиями движения (подъем, груз и т.п.). При нажатии педали «Тормоз» начинается электромагнитное торможение, интенсивность которого зависит от степени нажатия педали. Положение педали «Ход» при этом не имеет значения.

Управление ведется одновременно на обе системы движения правого и левого бортов машины. При необходимости возможно переключение управления на систему движения одного из бортов.

Управление блоками АИТ осуществляется по сигналам системы управления и по сигналам датчиков положения роторов двигателей. Кроме того, существует система защит и блокировок для обеспечения нормального функционирования всей системы электродвижения.

Система жидкостного охлаждения осуществляет поддержание требуемого температурного режима, как вентильных двигателей, так и их систем питания.

По разработке НТЦ «Синтез» ФГУП НИИЭФА тяговый вентильный двигатель с параметрами, представленными в таблице, был изготовлен на ПО «ЛЭЗ».

ПО «ЛЭЗ» специализируется уже в течение пятидесяти лет на изготовлении крупных электрических машин переменного тока, в т.ч. тяговых в составе привода. Проведенные стендовые испытания полностью подтвердили все параметры и работоспособность двигателя.    

Техническая характеристика вентильного двигателя:
Основные параметры двигателя:
    -    номинальная мощность, кВт    515
    -    частота вращения вала, об/мин    до 1650
Момент двигателя, кН·м:
    -    пусковой    28.4
    -    номинальный    10
    -    при максимальных оборотах    3
    -    коэффициент полезного действия, %    94.5
    -    число пар полюсов    30
    -    число фаз    6
    -    установленная мощность, МВт    4.9
Основные параметры системы питания:
    -    необходимая входная мощность, не менее, кВт    600
    -    макс. частота тока (напряжения), питающего двигатели, Гц    412.5
    -    диапазон изменения выпрямленного входного напряжения, В    1800
    -    число каналов преобразователя    2
    -    максимальное действующее значение тока канала, А    1200
Массогабаритные данные:
    -    диаметр корпуса двигателя, мм    1400
    -    длина корпуса двигателя, мм    800
    -    масса двигателя, кг    4100
    -    диаметр корпуса редуктора, мм    1250
    -    длина корпуса редуктора, мм    800
    -    масса редуктора, кг    1500

Журнал "Горная Промышленность" №6 2002