ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОТОРОВ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ШАХТНЫХ САМОХОДНЫХ ВАГОНОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены причины возникновения переходных процессов в асинхронных электродвигателях на приводах. Приведены области применения двухскоростных асинхронных двигателей с полюсопереключаемыми обмотками. В настоящее время в используемых двухскоростных двигателях не исследованы динамические режимы. В качестве объекта исследования был принят двухскоростной асинхронный двигатель марки АВТМ – 6/12 привода ШСВ в рабочих режимах при отсутствии нагрузки на валу и при пуске с нагрузкой 600 Нм и переключением на вторую скорость.

ABSTRACT

This article shows the reasons for transients in asynchronous motors on drives. The application areas of two-speed asynchronous motors with pole-switched windings are given. Currently, dynamic modes have not been investigated in the used two-speed engines. As the object of the study, a two-speed asynchronous motor of the AVTM - 6/12 brand of the ShPSW drive was adopted in operating modes with no load on the shaft and when starting with a load of 600 Nm and switching to a second speed.

Ключевые слова: полюсопереключаемая обмотка, двухскоростных асинхронных двигателей, динамические режимы, статорной обмотки, полюс, шахтных самоходных вагонов, ходовая часть.

Keywords: pole-switched winding, two-speed asynchronous motors, dynamic modes, stator winding, pole, shaft self-propelled wagons, running gear.

В настоящее время на рудниках цветной металлургии, калийной и угольной промышленности для доставки горной массы широкое применение находят шахтные самоходные вагоны. Самоходный вагон предназначен для транспортирования горной массы в шахтах, опасных по газу (метану) и угольной пыли, при температуре окружающей среды до плюс 35 С, относительной влажности до 98%, состоит из самоходного шасси, на котором смонтирован бункер-кузов со встроенным в его днище конвейером. Ходовая часть самоходных вагонов состоит из несущих и ведущих мостов, редукторов, двигателей, рулевого управления, тормозного управления и кабины. Привод хода базовой модели оснащен двумя трехскоростными двигателями; все колеса приводные и управляемые. Управление движением вагона дискретное, с учетом реверса, имеет три фиксированные скорости вперед и назад [1].

В подземных горных предприятиях со сложными горными  техническими условиями при камерной системе разработки из-за частого изменения угла залегания слоя полезного ископаемого, отличия коренным образом состояния дорог добычных выроботок от типовых дорог вынуждены использовать трехскоростной электрический мотор АВТМ15-4/6/12 только на двух скоростях, т.е, 1000/500. Отсюда само-собой видно работа мотора, постоянно находящийся под нагрузкой, приводит к преждевременному выходу из строя обмоток статора [2,3,4].

Поэтому исходя из требований эксплуатирующих ШСВ в рудниках со сложными горно-техническими условиями, на базе трехскоростного мотора АВТМ15-4/6/12 электропривода ходовой части создана обмотка статора двухскоростная с пропорций 6/12 с высокими электромагнитными показателями, с изменяющимся числом полюсов [5].

На основе этой статорной обмотки с изменяющимся полюсами разработан усовершенствованый тип твухскоростного электрического мотора АВТМ15-6/12.

При пуске, останове, реверсировании, изменении скорости или  других управляющих воздействиях, а также при приложении (или снятии) механической нагрузки к валу двигателя, изменяются ток, момент, скорость и другие параметры электродвигателя. При этом электропривод переходит с одного заданного режима работы на другой. Но это изменение происходит не очень быстро, потому что ток электродвигателя не может изменяться очень быстро из-за электромагнитной инерции цепи, а скорость двигателя из-за механической инерции движущейся массы электропривода. В электроприводах под переходным процессом (переходным режимом) понимается процесс перехода из одного заданного режима работы (или выключенного состояния) в другое заданное состояние во времени.

Переходные процессы могут быть вызваны следующими причинами:

- от управляющего воздействия (включение, выключение, изменение скорости электропривода и т.п.);

-от воздействия возбуждения, т.е. изменения нагрузки на вал двигателя.

Когда изменяется ток, момент и скорость двигателя, в электроприводе одновременно возникают электромагнитные и механические переходные процессы. Характер переходного процесса зависит от количества инерции участников этого процесса [6].

В настоящее время одним из наиболее распространенных электроприводов шахтных самоходных вагонов является ступенчатая регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов обмотки электродвигателя. В качестве электромеханического преобразователя используется многоскоростной асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Чаще всего применяют двухступенчатые (двухскоростные) электродвигатели с числом полюсов р₁:р₂. Основным преимуществом электродвигателей с переменным числом полюсов является сохранение номинальной мощности электродвигателя при меньшей частоте вращения и относительная простота (смена обмоток) устройства управления [7].

Двухскоростные электродвигатели с соотношением числа полюсов 1:2 для одной трехфазной обмотки статора серийно изготавливаются по схеме Деландера. Для катушек с соотношением полюсов 2:3, 3:4, 4:5 и 5:6 широко применяется катушка, построенная методом амплитудно-фазовой модуляции.

Общим недостатком двухскоростного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является дополнительный ударный момент, создающий большие механические напряжения и удары в передачах при пуске и переключении с одной частоты вращения на другую.

Проведены экспериментальные испытания с целью изучения работы вновь разработанного электродвигателя для шахтного самоходного вагона в режиме с изменением полюсов и получена кривая изменения тока статора, скорости, момента и напряжения двухскоростного двигателя шахтного самоходного вагона при приложении к валу нагрузки 600 Нм.

Изучены в качестве объекта исследования рабочие режимы работы при пуске и при переключении на вторую скорость двухскоростного асинхронного двигателя АВТМ - 6/12 в электроприводах ходовой части шахтного самоходного вагона.

Первоначально были изучены переходные процессы и получены кривые зависимости во времени, изменения тока статора, скорости, момента и напряжения при 6- и 12-полюсном пусках. На рис. 1 и 2 представлены ​​кривые изменения указанных выше параметров (I = f (t), n = f (t), M = f (t), U = f (t)).

Из этих кривых видно, что установившийся режим работы двигателя очень быстрый, т.е. через 320 мс для р = 6, через 420 мс для р = 12.

Как видно из кривой на рисунке 1, амплитудное значение пускового тока двигателя составляет 650 А, выход на установившийся режим работы двигателя происходит через 0,5 с, и амплитудное значение установившегося тока составляет 85 А. Номинальная скорость вращения двигателя 974 об/мин, номинальный момент двигателя 450 Нм, а также максимальный момент 2 кНм. При процессе пуска двигателя амплитудное значение фазного напряжения сети составляло 440 В, а амплитудное значение фазного напряжения в установившемся режиме составляло - 530 В.

Зависимость I=f(t)                                      Зависимость n=f(t)

Зависимость M=f(t)                         Зависимость U=f(t)

Рисунок 1. Пуск двигателя АВТМ – 6/12 через полюс p=3.

Как видно из кривой на рисунке 2, амплитудное значение пускового тока двигателя составляет 210 А, выход на установившийся режим работы двигателя происходит через 0,75 с, и амплитудное значение установившегося тока составляет 60 А. Номинальная скорость двигателя составляет 480 об/мин, номинальный момент двигателя 500 Нм, максимальный момент 1 кНм. При процессе пуска двигателя амплитудное значение сетевого фазного напряжения составило 470 В, амплитудное значение установившегося фазного напряжения составило 510 В.

Зависимость I=f(t)                                     Зависимость n=f(t)

Зависимость M=f(t)                                    Зависимость U=f(t)

Рисунок 2. Пуск двигателя АВТМ – 6/12 через полюс p=6.

В случае  изменения скорости двухскоростных асинхронных двигателей с переменным  числом   полюсов с высокого на низкую , то есть шахтный самоходный вагон двигался по главной подземной грузовой дороге со скоростью 1000 об/мин, при погрузке или разгрузке перехода на скорость 500 об/мин, показана кривая изменения  по времени, тока электродвигателя  (I=f(t)), скорости (n = f (t)), момента (M = f (t)) и рассеиваемой мощности (U = f (t)).

Как видно из кривой на рис. 3, амплитудное значение пускового тока двигателя составляет 230 А, выход на установившийся режим работы двигателя происходит через 0,3 с., а амплитудное значение постоянного тока 62 А. Номинальная частота вращения двигателя снижается с 970 об/мин до 480 об/мин. Двигатель работает в режиме торможения, максимальный тормозной момент 1,15 кН, затем максимальный момент равен 0,66 кНм, номинальный момент составляет 450 Нм. При процессе пуска двигателя амплитудное значение сетевого фазного напряжения составило 485 В, амплитудное значение фазного напряжения в установившемся режиме составляет 505 В.

В случае  изменения скорости двухскоростных асинхронных двигателей с переменным  числом   полюсов с высокого на низкую , то есть шахтный самоходный вагон двигался при погрузке или разгрузке со скоростью 500 об/мин, по главной подземной грузовой дороге перехода на скорость 1000 об/мин, показана кривая изменения  по времени, тока электродвигателя  (I=f(t)), скорости (n = f (t)), момента (M = f (t)) и изменения напряжения (U = f (t)).

Зависимость I=f(t)                                      Зависимость n=f(t)

Зависимость M=f(t)                                   Зависимость U=f(t)

Рисунок 3. Переключение полюсов двигателя АВТМ -6/12 с p=3 на p=6 при нагрузке  450 Нм

Как видно из кривой рисунка 4, амплитудное значение пускового тока двигателя составляет 500 А, выход на установившийся режим работы двигателя происходит через 0,3 с, амплитудное значение установившегося тока составляет 80 А. Номинальная частота вращения двигателя увеличилась с 480 об/мин до 970 об/мин. Номинальный момент двигателя составляет 500 Нм, а также, максимальный момент составляет 2 кНм. При пуске двигателя амплитудное значение фазного напряжения сети составляло 480 В, а амплитудное значение фазного напряжения установившемся режиме составляет 530 В.

          Зависимость I=f(t)                                      Зависимость n=f(t)

Зависимость M=f(t)                                     Зависимость U=f(t)

Рисунок 4. Переключение полюсов двигателя АВТМ -6/12 с p=6 на p=3 при нагрузке  450 Нм

Из всех результатов исследований динамического режима работы электропривода с мотором АВТМ15-6/12 можно сделать вывод, что переходное время процесса пуска, перехода с одной скорости на другую, уровень шума и вибрации в двигателе находились во всех случаях в допустимом диапазоне.

Это означает, что электроприводы на основе новых асинхронных моторов с переменными полюсами действительно могут быть созданы и применены к шахтным самоходным вагонам, эксплуатируемым в подземных шахтах, и в результате этого обеспечивается рациональное использование электроэнергии и природных ресурсов

Таким образом, эксперимент, проведенный на шахтном самоходном вагоне, работающем в тяжелых условиях калийных рудников, показал, что электроприводы ходовой части шахтного самоходного вагона на базе двухскоростного асинхронного двигателя с переменным числом полюсов удовлетворяют все базовые требования.

Список литературы:

1. Бритарев В.А., Замышляев В.Ф. Горные машины и комплексы. – М.: “Недра” – 1984. – 288 с.
2. Хакбердиев А.Л. Причины выхода из строя подземных самоходных вагонов и меры их устранения // Горный вестник Узбекистана – 2015. №2.  – С. 77-79.
3. Haqberdiyev A.L., Toshov J.B. Analysis of the control system of electric motors of the running gear of self-propelled mine cars used in complex mining and technological conditions. Международная конференция Руденко // Методологические проблемы исследования надежности крупных энергетических систем – 2020. Vol. 216. – P.1–4.
4. Raximov A.V., Тemirov K.T., Haqberdiyev A.L. Reliable electric drive of mine water displacement plants to increase the safety and economical efficiency of mining enterprises // International Scientific and Scientific-Practical Online Conference on the topic “Ensuring Security Life Activity in the Sectors of the Economy: Perspectives -  Problems of Social and Technical Systems” Novateur Publications, Pune, Maharashtra, India JournalNX- A Multidisciplinary Peer Reviewed Journal – 2021. – P.403-410.
5. Рисмухамедов Д.А., Туйчиев Ф.Н., Хакбердиев А.Л. Разработка обмоток с изменяющимся числом полюсов для электропривода шахтных самоходных вагонов // Научный журнал «Проблемы энерго- и ресурсосбережения». Специальный выпуск – 2021. – С. 194-201.
6. Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок. – М.: РАСХН – 2001. – 520 с.
7. Бобожанов М.К. Электрические машины с полюсопереключаемыми обмотками, используемые в целях энерго- и ресурсосбережения. под редакцией проф.Х.Г.Каримова. – Т.: Издательство “Fan va teхnologiya ”, 2011. – 192 с.