2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

2.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ТЕМЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

На пневмоколесных машинах применяются основные и вспомогательные трансмиссии. Первые обеспечивают полный диапазон регулирования скорости и тягового усилия в двигательном режиме, а вторые - частичный диапазон регулирования в короткие промежутки времени. В качестве основных применяются механические, гидромеханические, гидродинамические, гидрообъемные и электрические трансмиссии.

Основным недостатком механических трансмиссий является ступенчатое изменение скорости, осуществляемое для использования полной мощности источника энергии при изменении тягового усилия, определяемого сопротивлением движению машины. Помимо этого, при переключениях передач тяговое усилие исчезает вследствие разрыва силового потока в трансмиссии.

Частичное устранение недостатков механических трансмиссий достигается установкой на входе коробки передач гидротрансформатора, а внутри ее - фрикционных муфт, обеспечивающих переключение передач под нагрузкой. Однако гидромеханические трансмиссии сложнее, дороже, тяжелее и имеют меньший к.п.д., чем механические трансмиссии.

Гидрообъемные и электрические трансмиссии свободны от недостатков механических и гидромеханических трансмиссий.

Трансмиссия с нерегулируемым гидродвигателем содержит одно звено, преобразующее энергию, - регулируемый насос с диапазоном регулирования 1:4 при постоянной мощности. В электротрансмиссиях имеется два бесступенчатых преобразователя энергии - генератор и двигатель, что позволяет изменять составляющие мощности в отношении 1:20 и шире. Это является основным преимуществом электрических трансмиссий, которое в сочетании с высокой надежностью обусловливает их практическое применение.

Принципиально возможны три разновидности электротрансмиссий: трансмиссии постоянного, переменного и переменно-постоянного тока.

Генератор постоянного тока, как правило, используется для питания тяговых двигателей постоянного тока мотор-колес.

В дизель-электрическом приводе нередко применяются синхронные генераторы, трехфазное напряжение которых преобразуется кремниевыми вентилями в постоянное (точнее, пульсирующее) и подается к двигателям. Такой привод называется приводом переменно-постоянного тока. Основным преимуществом синхронных генераторов является отсутствие коллектора, вследствие чего они более надежны, чем генераторы постоянного тока. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую степень надежности, в особенности при выполнении их из неуправляемых вентилей. Поэтому надежность привода в целом повышается.

К.п.д. генераторов переменного тока несколько выше, чем постоянного, и с учетом потерь в выпрямителе можно считать оба привода приблизительно равноценными. Стоимость синхронного генератора с выпрямителем больше, чем генератора постоянного тока, из-за высокой стоимости полупроводниковых вентилей, но стоимость последних достаточно снизилась за последнее время.

Размеры и масса синхронного генератора зависят от его частоты вращения. При одинаковых частотах вращения генераторов переменного и постоянного тока (например, при соединении их с дизелем без повышающего редуктора) масса синхронного генератора меньше массы генератора постоянного тока на 15--25%, масса выпрямителя составляет приблизительно 5--10% массы генератора, так что общая масса несколько уменьшается. Более существенный выигрыш в размерах и массе можно получить, если применить повышающий редуктор между дизелем и синхронным генератором.

С генератором переменного тока могут быть реализованы универсальные трансмиссии: а) переменно-постоянного тока, когда за генератором включается управляемый или чаще неуправляемый выпрямитель; б) переменного тока, когда от синхронного генератора через преобразователи частоты (со звеном постоянного тока или непосредственной связью) питаются энергией асинхронные частотно-управляемые короткозамкнутые двигатели мотор-колес; в) переменного тока с вентильными двигателями, которые представляют собой быстроходные синхронные машины (обращенные двигатели постоянного тока), питаемые через инверторы, оборудованные сложными системами принудительной и машинной коммутации; г) переменного тока с двигателями, имеющими фазные роторы, и их статорные обмотки включены последовательно; д) переменного тока с двигателями, имеющими фазные роторы и управляемыми по схеме группового вентильного каскада.

Трансмиссии постоянного тока являются наиболее простыми, так как двигатели питаются от генератора без промежуточных силовых преобразователей и любые характеристики трансмиссии получаются регулированием магнитных потоков генератора и двигателей по цепи возбуждения. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 1,0--2,5% от номинальной мощности машин, поэтому регулировочные устройства могут быть маломощными.

Вместе с тем коллекторно-щеточный узел машин постоянного тока является наиболее слабым местом машины, и значительная доля неисправностей и повреждений в трансмиссии вызвана именно работой этих узлов. Это особенно важно для пневмоколесных машин, предназначенных для работы во внедорожных условиях, где повышается опасность попадания на коллектор пыли, влаги, грязи, вследствие чего резко снижается надежность работы коллектора. Бесколлекторные двигатели более надежны и менее чувствительны к указанным условиям работы.

Основной трудностью при применении бесколлекторных двигателей в транспортных средствах является сложность регулирования частоты вращения. В промышленном электроприводе асинхронные двигатели нашли широкое применение тогда, когда не требуется значительного изменения частоты вращения или она может изменяться ступенями. В последнем случае применяют двух- и трехскоростные асинхронные двигатели с переключением полюсов. Для изменения частоты вращения в небольших пределах используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь которого включают реостаты, конденсаторы или полупроводниковые устройства. Применяют также схемы с каскадным соединением двух асинхронных двигателей. Частоту вращения асинхронных короткозамкнутых двигателей в небольших пределах изменяют включением в цепь статора магнитных усилителей или полупроводниковых устройств. Все эти способы применяются при постоянной частоте питающего тока и не обеспечивают экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах.

В транспортных средствах двигатели постоянно соединены с большой массой, при трогании с места они должны развивать наибольший момент. Скорости, если даже исключить кратковременные пусковые режимы, изменяются в широких пределах, в особенности для машин повышенной проходимости. Частота вращения двигателей может изменяться только плавно и относительно медленно из-за большой массы транспортного средства. Поэтому указанные выше способы ее регулирования могут быть использованы в отдельных частных случаях, когда самоходная машина должна работать лишь в узком диапазоне скоростей.

В автономных транспортных средствах можно изменять частоту питающего тока асинхронных двигателей изменением частоты вращения теплового двигателя. Однако дизель и газотурбинная установка с блокированной тяговой турбиной допускают изменение частоты вращения лишь в относительно небольшом диапазоне, при этом с понижением частоты вращения уменьшается мощность. Следовательно, это возможно лишь при многоступенчатом переключении полюсов машин переменного тока, что усложняет их конструкцию и трансмиссию в целом. В большей степени этот способ может оказаться приемлемым при использовании газотурбинной установки со свободной тяговой турбиной, к. п. д. и мощность которой сохраняются относительно высокими в пределах частот вращения 0,5--1,0 номинальной. Такой диапазон также недостаточен и требует либо дополнительных переключений полюсов, хотя и при меньшем числе переключений, либо выполнения двигателей с очень высоким скольжением. Этот способ неприемлем в тех случаях, где по условиям привода рабочих и вспомогательных механизмов необходима работа теплового двигателя при постоянной частоте вращения.

Основным способом регулирования скорости транспортных средств с асинхронными двигателями является изменение частоты тока, питающего двигатели, независимо от частоты тока генератора, приводимого тепловым двигателем. Для этого используют преобразователи частоты, в которых выходную частоту тока можно изменять независимо от входной.

Трехфазное напряжение генератора подводится к преобразователям частоты ПЧ, которые весьма разнообразны по схеме и принципам действия. Наиболее часто применяемые преобразователи можно разделить на две группы: преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (ПЧПТ) и преобразователи с непосредственной связью входной и выходной цепи, кратко называемые непосредственными преобразователями (НПЧ).

В ПЧПТ трехфазное напряжение генератора преобразуется выпрямителем в постоянное напряжение, которое подается на вход инверторов, где преобразуется в трехфазное напряжение переменной частоты. К инверторам присоединены тяговые двигатели. В НПЧ одни и те же тиристоры поочередно работают в выпрямительном и инверторном режимах. Управление тиристорами осуществляется как по входной частоте тока, получаемой от генератора, так и по выходной частоте, которая задается системой управления.

При асинхронных тяговых двигателях возможны три варианта выполнения преобразователей частоты: 1) общий преобразователь для всех двигателей; 2) несколько преобразователей присоединены к общим шинам, к которым параллельно присоединены все двигатели; 3) каждый двигатель соединен с отдельным преобразователем.

Для мотор-колесных машин первый и второй варианты использовать затруднительно вследствие существенной разницы в радиусе качения, зависящем от давления внутри шины, вертикальной нагрузки на колесо, разницы сопротивлений качению различных колес и т. п. Кроме того, при повороте машины колеса разных бортов имеют различные скорости. Поэтому для приемлемого распределения нагрузки между двигателями необходимо либо выполнять их с очень высоким скольжением, что увеличивает размеры двигателя и снижает его к. п. д., либо предусматривать возможность изменения частоты питающего тока каждого двигателя, для чего каждый двигатель должен управляться от своего преобразователя. Упругая деформация шин уменьшает неравномерность распределения нагрузки. При использовании ПЧПТ выпрямитель может быть как общим для всех или группы инверторов, так и индивидуальным для каждого. В приводе с синхронными двигателями инверторы в ПЧПТ или НПЧ должны обязательно выполняться индивидуальными для каждого двигателя.

Одним из недостатков привода переменного тока является сложность преобразователей частоты и системы управления приводом. Силовая часть и система управления преобразователем частоты содержат бесконтактные полупроводниковые элементы, каждый из которых является высоконадежным. Однако благодаря большому числу элементов общая вероятность отказов в преобразователе еще достаточно высока, и до настоящего времени, как показывают предварительные расчеты и результаты опытов, преобразователи частоты по надежности уступают генератору и двигателям. Поэтому разработки и исследования по этим системам ведутся главным образом в направлении повышения надежности преобразователей путем разработки более совершенных систем управления и создания таких условий работы вентилей, при которых вероятность отказов в работе минимальна.

К недостаткам приводов с преобразователями частоты следует также отнести искажения формы кривых силы тока и напряжения, вызываемые работой преобразователя, что увеличивает потери в генераторе и двигателях.