01 Виноградов (Флоренцев)

Разработка и исследование
комплекта тягового
электрооборудования
карьерного самосвала
грузоподъемностью 240 тонн
ОАО «НИПТИЭМ»
Виноградов А. Б.
Гнездов Н. Е.
Журавлев С.В.
Сибирцев А.Н.
Карьерный самосвал грузоподъемностью 240т
Требуемые
тяговая и тормозная характеристики
Состав КТЭО:
Асинхронный тяговый двигатель (ТАДМ-7006УХЛ3) – 2 шт. (ООО «Русэлпром-СЭЗ»)
Шкаф преобразователей и систем управления
(ШПСУ) – 1 шт. (ОАО «НИПТИЭМ»)
Устройство внешних тормозных резисторов (УВТР
типа МСВ)- 2 шт.
Контроллер верхнего уровня (КВУ) – 1 шт.
Комплект ЗИП – 1 шт.
Комплект оборудования для настройки и
диагностики – 1 шт.
Комплект сопроводительной технической
документации – 1 шт.
2
Функциональная схема КТЭО БелАЗ-240
U
U
U
U
I
T
I
T
I
T
I
T
t˚
t˚
t˚
УВТР
t˚
ТАД Пр. борта
Ѡ, t˚
СВТГ
КСВТГ
КСП ТАД
ДВС
СТГ
Теплообменник
Воздуховод
Насос Сох
ИПСох
КСП
ИПСох
Контроллер
ДВС
ТАД Лев. борта
CAN Bus
Ѡ, t˚
U
U
U
U
I
T
I
T
I
T
I
T
t˚
GPS
Устройство
контроля
загрузки
Органы
управления
и индикации
t˚
t˚
УВТР
t˚
КВУ
CAN Bus
КСП ТАД
СВС
Ethernet
3
Особенности силовой части КТЭО
1. Синхронный генератор (СТГ) с электромагнитным возбуждением с 2-мя группами
трехфазных обмоток с угловым смещением 30 гр.
2. Схема выпрямления – 12-пульсная, построеная с использованием изолированных
диодных модулей на нитрид-алюминиевой керамике, установленных на радиаторы с
жидкостным охлаждением;
3. Емкостный фильтр выполнен на пленочных конденсаторах блочного исполнения с
многослойной ламинированной шиной.
4. Инверторы тяговых двигателей реализованы на силовых интегральных
интеллектуальных IGBT-модулей серии SKiiP 4-го поколения (Semikron) в
конфигурации «фаза» с жидкостным охлаждением
5. Частотозависимый температурный дерейтинг в дополнение к традиционному набору
защит интеллектуальных IGBT-модулей, введенный с целью повышения надежности
6. Использование низкоиндуктивной многослойной шины с индивидуальными
низкоиндуктивными снабберными конденсаторами на выводах DC IGBT-модулей
7. Силовой преобразователь системы возбуждения тягового генератора (СВТГ) выполнен
по схеме: неуправляемый выпрямитель – понижающий DC/DC преобразователь на
IGBT-чоппере с ШИМ. Питание выпрямителя - от одной из трехфазных обмоток
тягового генератора по нулевой схеме.
8. Отдельный IGBT-инвертор (ИПСОХ) управляет асинхронным двигателем
циркуляционного насоса системы жидкостного охлаждения шкафа силовых
преобразователей (ШПСУ)
9. Групповое принудительное воздушное охлаждение теплообменников ШПСУ, а также
обмоток генератора и тяговых двигателей производится крыльчаткой вентилятора,
установленного на валу генератора.
4
Особенности системы управления
1. Трехконтурная система регулирования СВТГ, настроенная на отработку ступенчатого
наброса/сброса номинальной нагрузки в звене постоянного тока (ЗПТ) за 50мс по критерию
компромисса между быстродействием и уровнем пульсаций в напряжении ЗПТ;
2. Векторный регулятор момента ТАДов с функциями адаптации к 6-ти кратному изменению
Tr, идентификации сопротивлений и индуктивностей в реальном времени, учета в
управлении процессов в стали, оптимизации потерь системы «ПЧ – АД» в зависимости от
скорости и нагрузки;
3. Управление ТАДами в условиях очень широкого диапазона регулирования переменных в
области ослабления поля (ограничения напряжения) – более 15:1.
4. Управление в условиях относительно малой емкости ЗПТ (28 мФ) и повышенного уровня
пульсаций его напряжения;
5. Необходимость согласования существенно различающихся динамических характеристик
элементов КТЭО;
6. Управление в условиях, когда предельная мощность тормозного режима ТАД (2*1.3 МВт),
почти в 2 раза превышает предельную мощность двигательного режима (2*0.7 МВт);
7. Обеспечение 5%-й точности отработка задания по моменту ТАДов в рабочем диапазоне
скоростей и нагрузок КТЭО и 6-ти кратной вариации Tr;
8. Реализация двух альтернативных вариантов алгоритма антипроскальзывания колес: на
основе оценки ускорения по информации с датчика скорости и на основе информации по
скорости неведущих колес.
9. Контроллеры СП ТАДов и УВТР реализованы на DSP серии TMS320F28335, контроллер
СВТГ – на DSP серии TMS320F2808.
5
ЭТАПЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
1. Испытания на «малом» стенде в ОАО «НИПТИЭМ»
Цель работ: пуско-наладка, проверка работоспособности и основных характеристик силового
канала и информационных цепей ШПСУ, отладка программного обеспечения, проверка
функционирования ШПСУ в целом.
Задачи: наладка системы возбуждения тягового генератора, запуск системы векторного управления
на малох мощностях нагрузки (до 250 кВт), отработка системы защит шкафа преобразователей и
систем управления.
2. Испытания на испытательном участке в ООО «Русэлпром-СЭЗ»
Цель работ: пуско-наладка и автономные испытания элементов КТЭО с выходом на их предельные
и номинальные режимы работы, отладка и комплексные испытания КТЭО в целом, проверка
соответствия его характеристик требованиям технического задания.
3. Испытания в составе самосвала в ОАО «БелАЗ»
Цель работ: адаптация алгоритмического и программного обеспечения к объекту – самосвалу 75310
Проверка соответствия разработке требованиям технического задания.
4. Карьерные испытания.
Цель работ: адаптация комплекта тягового оборудования к условиям эксплуатации в карьере,
подтверждение выполнения требований технического задания.
6
Функциональные схемы испытательных стендов
УВ1
П2П 1000 об.
400 кВт, 440 В
Полномасштабный стенд по возвратной
схеме в ООО «Русэлпром-СЭЗ»
СД2 1000 об, 400 кВт, 380В,
возбуждение 150А, 35 В
F1
Провод 2*50кв.мм
На ток 150 А
УВ2
Кабель 3*95 кв.мм
на ток не боле 400 А
длина 50 м
F2
Панель СГ 100
Гц
Машинный зал
Зал испытаний
Панель 1РМ
УВТР
1890*899*848
Рабочие места программистов
располагаются в непосредственной
близости от ШПСУ и оборудованы
необходимым кол-вом датчиков и
осциллографами
РМ для программиста СВТГ и ИП СОХ
ШПСУ
ИП СОХ
ТАД 300 лс
СВТГ
РМ для программиста приводов ТАД
МГ 300 лс
Иммитатор ДВС
315М4
«Нагрузка»
5АМ315М4
ПЧ1
ПЧ2
Рекуператор
Стенд для наладки
КТЭО 300 лс
«Малый» стенд в ОАО «НИПТИЭМ
Полномасштабный стенд по схеме «БелАЗ
на полу» в ООО «Русэлпром-СЭЗ»
7
Общий вид стенда по схеме «БелАЗ на полу» в ООО «Русэлпром-СЭЗ»
8
Результаты наладок и испытаний ШПСУ на «малом» стенде ОАО «НИПТИЭМ»
Проверка силовой части ШПСУ ударным током 2,8 кА
Проверка силовой части ШПСУ рабочим напряжением
(зеленый луч – Ud в ЗПТ ТАД, красный луч – ток
ТАД, желтый луч – Ud в ЗПТ СВТГ)
Силовая часть ШПСУ выдержало рабочее
напряжение 1150 В в течении 3 мин.
9
Осциллограммы переменных СТГ и ТАД
в номинальном тяговом режиме (по 700 кВт на каждый ТАД)
желтый луч – напряжение ЗПТ ТАД;
синий луч - линейное напряжение статора СТГ;
зеленый луч – ток фазы статора СТГ.
желтый и синий лучи – токи фаз статора левого ТАД;
красный луч – ток фазы статора правого ТАД;
10
РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КТЭО в предельных режимах
V, км/ч
0
0,2
2,9
5,3
10
20
30
40
50
60
63,9
65,3
Тяговый режим
Wr, рад/с Mс, Нм
0,0
29700
1,0
29700
14,0
29700
25,4
24700
47,8
14700
95,5
7400
143,3
5400
191,0
3920
238,8
2480
286,5
1670
305,0
1360
312,0
0
P, кВт
0,0
29,7
415,8
628,5
702,0
706,7
773,6
748,8
592,1
478,5
414,8
0,0
V, км/ч
0
0,2
2,5
5,3
10
21,4
30,9
43,1
54,8
62,2
65,3
35000
1600,0
30000
1400,0
Тормозной режим
Wr, рад/с Mс, Нм
0,0
22370
1,0
22370
12,1
22370
25,4
22370
47,8
20800
102,1
13080
147,9
8955
6380
206,1
3787
261,8
2639
297,4
2244
312,0
P, кВт
0,0
22,4
270,7
569,2
994,2
1335,5
1324,4
1314,9
991,4
784,8
700,1
1200,0
25000
1000,0
20000
800,0
15000
600,0
10000
400,0
5000
200,0
0
0,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
M_lim_тяг
250,0
300,0
M_lim_торм
350,0
400,0
450,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
P_lim_тяг
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
P_lim_торм
11
РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КТЭО
Реверс по скорости с 2950 до -2950 об/мин
с заданием -33 кНм
Режим «Газ в пол, движение в разные стороны
Mz_огр=32000 Нм (управление от КВУ)»
Наброс/сброс максималього момента
12
Результаты нагрузочных испытаний КТЭО в номинальном тяговом режиме
(по 700кВт на каждый ТАД)
Шкаф преобразователей с системой управления
Тяговые двигатели
13
Результаты нагрузочных испытаний КТЭО в номинальном тормозном режиме
(по 1300кВт на каждый ТАД)
Шкаф преобразователей с системой управления
Тяговые двигатели
14
Результаты исследований различных алгоритмов антипроскальзывания колес
Сверху вниз: скорость, момент, проскальзывание и действующее значение тока левого ТАД
Режим: разгон самосвала при алгоритме антипроскальзывания на основе скорости неведущих колес
масса – 400 тонн, движение – прямолинейное, уклоны дороги отсутствуют, коэф-нт трения колес – 0.1
Основные параметры режима : размах пульсаций момента 500нм; размах пульсаций тока 25А;
размах пульсаций скорости 0.43 об/мин; частота пульсаций 12Гц; время разгона до 90 рад/с – 17.8сек.
15
Режим: разгон самосвала при алгоритме антипроскальзывания на основе оценки ускорения.
Основные параметры режима : максимальный размах пульсаций момента 12000нм; средний
размах пульсаций тока 700А; средний размах пульсаций скорости в режиме переключений 4 рад/с;
частота пульсаций 1..3.3Гц; время разгона до 90 рад/с – 26сек, максимальное проскальзывание на
выходе из режима антипроскальзывания – 15 рад/с
16
Внедрения по другим тяговым проектам концерна РУСЭЛПРОМ
Трактор «БЕЛАРУС – 3023» с электромеханической
трансмиссией на полевых испытаниях (опытная партия )
Самосвал грузоподъемностью 240 тонн
Гибридные автобусы ЛиАЗ, Богдан, Белкоммунмаш,
Волжанин
Гусеничный трактор «Беларус-1502Э» 160лс.
17
Заключение:
1) Разработанный комплект тягового электрооборудования проекта «КТЭО
БелАЗ-240» успешно выдержал все стендовые испытания, проведенные
согласно программе и методике испытаний. В объеме выполненных проверок
КТЭО БелАЗ-240 соответствует требованиям технического задания.
2) Процессы в КТЭО нечувствительны к 6-ти кратному изменению постоянной
времени ротора.
3) Обеспечена 5%-я точность регулирования момента в рабочем диапазоне
скоростей и нагрузок.
4) Проведенные исследования различных алгоритмов антипроскальзывания
колес самосвала показали, что по критериям величины пульсаций переменных и
интенсивности разгона/торможения алгоритм на основе измерения скорости
неведущих колес существенно превосходит алгоритм на базе оценки ускорения.
5) В процессе моделирования были определены рациональные соотношения
параметров исследованных алгоритмов.
18
Спасибо за внимание!
19