Распечатать

Электропривод

Высокоэффективный двигатель для перевозки грузов

08.07.2019
Новосибирские инженеры протестировали «первый в России» энергоэффективный тяговый синхронный двигатель с постоянными магнитами

На Тульском заводе горно-шахтного оборудования завершились испытания рудничного электровоза с новым тяговым двигателем, созданным Новосибирским государственным техническим университетом. Как сообщили разработчики, тяговый синхронный двигатель с постоянными магнитами в сочетании с энергоэффективной батареей увеличил грузоподъемность электровоза в 1,5 – 2 раза. При этом габариты нового электродвигателя по сравнению с его предшественником  ̶  двигателем постоянного тока  ̶ не изменились. КПД тягового привода с новым двигателем возрос на 10—20% по сравнению с электроприводом предыдущего поколения.

Сейчас электровоз с новым приводом  проходит тестовую эксплуатацию на руднике компании «АЛРОСА» в городе Мирном. Через полгода будет принято решение о целесообразности перевода другого оборудования компании на электротягу  Изображение:  Управление информационной политики НГТУСейчас электровоз с новым приводом проходит тестовую эксплуатацию на руднике компании «АЛРОСА» вгороде Мирном. Через полгода будет принято решение о целесообразности перевода другого оборудования компании на электротягу

Отмечается, что новые технологии, ставшие основой конструкции магнитной системы электромашины, и специальные обмоточные структуры позволили уменьшить массу активных материалов в два-три раза и повысить КПД двигателя на 10—20% по сравнению с классическими асинхронными машинами и двигателями постоянного тока.

Значительно возросла энергоэффективность электровоза из-за уменьшения потерь в двигателе и увеличения его КПД до 90%. При этом снизился разряд аккумуляторной батареи и увеличилось время работы электровоза.

Авторам разработки удалось избавиться от скользящих контактов, которые могут искрить и стать причиной аварии. «Наш двигатель работает от источника постоянного тока, но в обмотку статора поступает уже переменный ток,  ̶ объясняет заведующий кафедрой электромеханики НГТУ НЭТИ Александр Шевченко.  ̶ Специальный датчик передает в систему управления сигнал о положении ротораЮ и в зависимости от этого формируется нужный ток в обмотке. Таким образом, мы полностью избавились от скользящих контактов».

Разработка синхронного двигателя с постоянными магнитами для рудничного электровоза началась в феврале 2018 года по запросу Тульского завода горно-шахтного оборудования. К концу лета прошлого года новосибирские инженеры подготовили конструкторскую документацию, произвели на базе компании ООО «РЭМ» первый макетный образец и провели его испытания. По словам авторов проекта, первые тесты показали, что удалось развить мощность больше требуемой.

Первый опытный образец тягового электродвигателя для рудничного электровоза, изготовленный на ООО «РЭМ» (г. Новосибирск) в июле 2018 г.  Изображение: Управление информационной политики НГТУПервый опытный образец тягового электродвигателя для рудничного электровоза, изготовленный на ООО «РЭМ» (г. Новосибирск) в июле 2018 г

Второй этап испытаний прошел в Томске, где инженеры компании ООО «НПФ Мехатроника-Про» создали систему управления. В заводских условиях электродвигатель подтвердил свои улучшенные показатели мощности в сравнении с двигателями предыдущих поколений.

Третьим этапом стали приемо-сдаточные испытания привода в реальных условиях работы в составе рудничного электровоза на Тульском заводе горно-шахтного оборудования, который используется для транспортировки угля и породы, тяжелой и высоковязкой нефти, доставки материалов, оборудования и совершения других операций в шахтах. Для обеспечения безопасности новый электродвигатель был выполнен во взрывозащищенным исполнении.

Также на электровозе были заменены аккумуляторы. Традиционные свинцово-кислотные или щелочные батареи, требовавшие частой доливки агрессивных кислот или щелочи, заменили на литий-ионный аккумулятор компании «Лиотех» суммарной энергоемкостью 70 кВт/час. Время зарядки новой батареи составляет 2—4 часа, при ее штатной эксплуатации не выделяются взрывоопасные газы. К помещению для зарядки старых типов аккумуляторов предъявлялись повышенные требования по вентиляции, так как при их заряде выделялся водород. Все это приводило к увеличению затрат на дополнительный персонал, обеспечение достаточной вентиляции и т.п.

В НГТУ считают, что электрические машины, сконструированные по новой технологии, могут быть использованы как в общепромышленном электроприводе (в станках, вентиляционных системах), так и в специализированном (в автомобильной промышленности, авиации, электроприводе погружных насосов и т.д.), а также в качестве инверторных генераторов.

Д. М. Топорков, к. т. н., доцент кафедры электромеханики НГТУ«Подобную технологию мы уже использовали во многих проектах,  ̶  сообщил один из авторов разработки Дмитрий Топорков,  ̶  в электромеханическом усилителе руля для автомобиля семейства «Лада» (выпущено более 1,5 млн комплектов ОАО «Автоэлектроника», г. Калуга), двигателях погружных насосов для добычи нефти, отрезке серии общепромышленных двигателей, ветрогенераторах, прецизионных следящих приводах и другие разработках. Главный идеолог машин нового поколения — заведующий кафедрой электромеханики НГТУ профессор Александр Шевченко. Он внес большой вклад в развитие теории, внедрил на практике эти электрические машины и сегодня считается одним из ведущих специалистов в стране по данной тематике».

Дмитрий Топорков поделился подробностями проекта с читателями КМ.

КМ: Дмитрий Михайлович, каковы конструктивные особенности двигателя для шахтного электровоза?

Конструктивно двигатель представляет собой синхронную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов. Обмотка якоря, расположенная на статоре, выполнена по схеме дробной зубцовой обмотки с числом пазов на полюс и фазу q < 1. Постоянные магниты лежат в пазах ротора и намагничены тангенциально. Конструкции подобных двигателей широко описаны в отечественной и зарубежной научно-технической литературе.

Новизна заключается в оптимальном соотношении геометрических размеров элементов конструкции, с одной стороны, и в нестандартной области применения - с другой. Также принципиален сам подход Тульского завода горно-шахтного оборудования к проекту. Ставка делалась не на замену устаревших двигателей постоянного тока новыми синхронными двигателями с постоянными магнитами, а на комплексную модернизацию всей силовой установки, включая двигатель, систему управления и источник питания.

Нагрузочный стенд для испытаний электродвигателя  Изображение:  Управление информационной политики НГТУНагрузочный стенд для испытаний электродвигателя

КМ: Как изменился запас хода электровоза после модернизации?

Согласно результатам предварительных испытаний, после замены электродвигателя и накопителя энергии запас хода электровоза вырос в 1,5 раза.

КМ: Каков КПД нового двигателя в широком диапазоне моментов и скоростей в сравнении с асинхронной машиной?

Коэффициент полезного действия двигателя на частоте вращения 1000 об/мин достигает 92% в широком диапазоне нагрузок от 7 до 15 кВт.

КМ: Какова стоимость активных материалов данного двигателя в сравнении с асинхронным?

У разрабатываемых нами машин аналогичной конструкции расход активных материалов по сравнению с асинхронными двигателями обычно в 1,5  ̶  2 раза меньше. И с учетом того, что магниты стоят дороже, стоимость двигателя оказывается примерно такой же, как у асинхронного двигателя такой же мощности.

КМ: Каково соотношение массы накопителей энергии и полезного груза?

Такой информацией мы не обладаем, масса самого электровоза составляет 5,5 т.

КМ: Почему был выбран данный тип накопителей энергии?

Это определял заказчик.

КМ: Что представляет собой разработанная система управления? Это система векторного управления, полеориентированное управление или прямое управление моментом… На какое напряжение она рассчитана?

Система управления, разработанная томским ООО «НПФ Мехатроника-Про», является системой векторного управления с прямым управлением моментом.

КМ: Каков тип регулятора скорости?

Модифицированный ПИ-регулятор.

КМ: Используется одна пара коэффициентов регулятора или таблица коэффициентов с набором пар (одна пара для каждого диапазона скорости)?

Таблица коэффициентов с набором пар (одна пара для каждого диапазона скорости).

КМ: Насколько герметично исполнение двигателя?

Двигатель имеет взрывонепроницаемую оболочку, спроектированную, согласно ГОСТу 30852.1-2002 (МЭК 60079-1:1998).

КМ: Разброс оценки повышения КПД слишком велик. Если он вызван отличием в КПД между асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока, то тогда последние не стоит брать в расчет и говорить только о 10%-ном возрастании КПД по сравнению с асинхронными машинами…

Коэффициент полезного действия и другие параметры сравнивались с двигателем постоянного тока ДПР-13, на замену которого создавался наш двигатель, и такое сравнение представляется корректным. Не удалось найти параметры аналогичных асинхронных двигателей для данной области применения. Существующие тяговые асинхронные двигатели в основном имеют бόльшую мощность и производятся для тяговых приводов крупных электровозов.

КМ: Привод создавался для аккумуляторных рудничных электровозов. Насколько велики шансы его применения на электровозах с традиционным внешним питанием?

С несущественной доработкой системы управления привод можно использовать на электровозах с традиционным внешним питанием.

КМ: Планируется ли серийное производство новых электромашин?

По нашим данным, после первых успешных шахтных испытаний выпущена первая мелкая серия электровозов с новыми электродвигателями в объеме 15 штук. В дальнейшем планируется мелкосерийное производство, обеспечивающее нужды заказчика.

Табл.1 Технические характеристики нового синхронного электродвигателя и его предшественника в различных рабочих режимах

Номинальный длительный режим S1

Параметр

Новый двигатель

ДРТ-13

Мощность, кВт

7,5

Момент, Нм

72

Частота вращения, об/мин

1000

Напряжение фазное, В

47

145

Ток, А

65

61

КПД, %

92

82,5

Масса двигателя, кг 

223

380

На электровоз устанавливается два новых двигателя. Крейсерская скорость электровоза 7,2  ̶  8,1 км/ч.

Часовой режим S2

Параметр

Новый двигатель

ДРТ-13

Мощность, кВт

14,6

Момент, Нм

140

Частота вращения, об/мин

1000

Напряжение фазное, В

56

145

Ток, А

122

КПД, %

92

82,5

 

Пусковой режим

Параметр

Новый двигатель

Мощность, кВт

1,6

Момент, Нм

250

Частота вращения, об/мин

60

Напряжение фазное, В

6

Ток, А

211

 

Масса активных материалов синхронного двигателя с постоянными магнитами

Масса электротехнической стали, кг

53,5

Масса меди, кг

11,6

Масса постоянных магнитов, кг

3,4

Суммарная масса тягового синхронного двигателя с постоянными магнитами с учетом взрывонепроницаемой оболочки составила 223 кг.

Благодарим управление информационной политики
Новосибирского государственного технического университета за помощь в подготовке статьи.

Электропривод 08.07.2019 Тяговый синхронный двигатель с постоянными магнитами, созданный специалистами НГТУ, увеличил грузоподъемность рудничного электровоза в 1,5 – 2 раза. При этом габариты нового электродвигателя по сравнению с его предшественником ̶ двигателем постоянного тока ̶ не изменились.
Электропривод 20.06.2019 Крупнейшая выставка строительно-дорожной техники Bauma 2019 продемонстрировала стремление к расширению использования электромеханических трансмиссий и чисто электрических транспортных средств.
Электропривод 20.06.2019 Многие производители представили на выставке Bauma 2019 модели полностью электрических и гибридных концептов, а также серийно производимых строительно-дорожных машин, работающих в циклических режимах, — фронтальных и вилочных погрузчиков, бульдозеров, экскаваторов, подъемников и пр.
Электропривод 20.06.2019 На Bauma 2019 было представлено большое количество производителей интеллектуальных интегральных силовых преобразователей для транспортных применений. Практически все преобразователи выполнены на базе IGBT. Разработки на SiC для внедорожных применений не актуальны.