Высокоэффективный двигатель для перевозки грузов

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» 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

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.

«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

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

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

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.