Innowacyjne rozwiązanie napędu i stero- wania dla lokomotyw trakcyjnych

Lokomotywę trakcyjną Ld-31 modernizowano eta- powo. W pierwszej kolejności opracowano nowatorski system napędowy, polegający na zastosowaniu w miejsce dotychczasowych silników prądu stałego, bezszczotkowych silników z magnesami trwałymi, zasi- lanych z trakcji elektrycznej za pośrednictwem prze- kształtników energoelektronicznych [1].

Opracowanie silnika bezszczotkowego z magnesa- mi trwałymi i jego pierwsze wdroŜenie w napędzie lo- komotywy kopalnianej jest rozwiązaniem innowacyj- nym w skali światowej.

Podstawowe, innowacyjne cechy silnika z magne- sami trwałymi to:

− znacznie wyŜsza sprawność w stosunku do silni- ków indukcyjnych i silników prądu stałego,

− większa gęstość mocy w stosunku do silników indukcyjnych i silników prądu stałego, co pozwala na zmniejszenie wymiarów i masy urządzenia lub zwiększenia mocy, bez zwiększania wymiarów,

− wysoki współczynnik przeciąŜalności momentem, nawet do kilkakrotnej wielkości momentu znamio- nowego,

− wysoki współczynnik mocy cos φ w stosunku do silników indukcyjnych, dzięki ograniczeniu prądu magnesującego, pobieranego z sieci i magneso- waniu maszyny magnesami trwałymi,

− wysoka trwałość i niezawodność, zwłaszcza w po- równaniu z silnikami prądu stałego, dzięki wyeli- minowaniu komutatora mechanicznego, co spowo- dowało uproszczenie procedur eksploatacyjnych;

skrócenie czasów przeglądów i remontów, obni- Ŝenie kosztów eksploatacji,

− doskonałe parametry regulacyjne i dynamiczne, liniowa zaleŜność momentu na wale od prądu za- silania, moŜliwość uzyskania duŜych przyśpieszeń kątowych dzięki niskim momentom bezwładności i wysokiej przeciąŜalności momentem,

− moŜliwość pracy w układzie napędowym w funkcji hamulca elektromagnetycznego dynamicznego i sta-tycznego.

Silnik PMPg250L ze względu na sposób zabudowy w lokomotywie, wykonano w kadłubie silnika trakcyj- nego, który został skrócony o część komutatorową.

Z porównania podstawowych parametrów dotychczas stosowanego silnika trakcyjnego i wdroŜonego do eks- ploatacji innowacyjnego silnika z magnesami trwałymi, wynikają ewidentne zalety silników bezszczotkowych.

Parametry silników

Tabela 1 Rodzaj silnika Moc

znamionowa Sprawność

Napęd lokomotywy Ld-31EM bazuje na bezszczot- kowych silnikach z magnesami trwałymi typu PMPg 250L (rys. 2), produkowanych przez BranŜowy Ośro- dek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL, zasilanych z przekształtników energoelektro- nicznych wykonanych przez ENEL sp. z o.o., za po- mocą których odbywa się sterowanie kierunkiem jazdy oraz prędkością. KaŜdy zestaw kołowy (rys. 2) na- pędzany jest niezaleŜnie, silnikiem o mocy 33 kW przy pracy S1. Sterowanie wektorowe momentem odbywa się na zasadzie przypisania jednemu ze sterowników przekształtnika funkcji „master” a drugiemu „slave”.

Komunikacja pomiędzy nimi odbywa się łączem RS-485. Zastosowany po raz pierwszy w lokomotywie trak- cyjnej manipulator w postaci joysticka (rys. 3) prze- znaczony jest do sterowania prędkością lokomotywy i hamowania. Manipulator wyposaŜony jest w dwa przyciski. Pierwszy (usytuowany w górnej części mani- pulatora) słuŜy do nadawania sygnału ostrzegaw- czego. Drugi (usytuowany w środkowej części) spełnia rolę „czuwaka”.

Lokomotywa Ld-31EM wyposaŜona jest w elektrycz- ny hamulec manewrowy o działaniu proporcjonalnym, spręŜynowy hamulec awaryjno-postojowy, jak równieŜ w system kontrolujący sprawność maszynisty, tzw.

czuwak. W przypadku wykrycia przez system nieprawi- dłowości następuje hamowanie awaryjne realizowane równocześnie za pomocą elektrycznego hamulca ma- newrowego i hamulca awaryjno-postojowego.

W celu dostosowania wyposaŜenia lokomotywy do obowiązujących przepisów i aktualnych norm zastoso- wano odbierak prądu z elektropneumatycznym ukła- dem podnoszenia oraz opuszczania. W kabinie opera- tora zastosowano dwa niezaleŜne pulpity: sterowniczy i sygnalizacyjny (rys. 4).

Wadą takiego rozwiązania jest ograniczona moŜli- wość monitorowania parametrów związanych z pracą lokomotywy oraz duŜa ilość przewodów elektrycznych i skrzynek rozgałęźnych. Oprócz sterowania lokalnego (z kabiny operatora) sterowanie lokomotywą moŜe się odbywać równieŜ zdalnie na drodze radiowej. Sterowa- nie zdalne umoŜliwia:

− załączenie i wyłączenie lokomotywy,

− nadawanie sygnału ostrzegawczego,

− sterowanie lokomotywą na małej programowalnej prędkości.

Rys.1. Lokomotywa Ld-31EM podczas prób ruchowych w KGHM Polska Miedź S.A (fot. KOMAG)

Rys.2. Zespół napędowy z silnikiem z magnesami trwałymi PMPg-250L

Rys.3. Wnętrze lokomotywy Ld-31EM (fot. KOMAG) Rys.4. Widok pulpitu sterowniczego i sygnalizacyjnego w kabinie (fot. KOMAG)

Rys.5. Model pulpitu sterowniczego wraz z koncentratorami sygnałów na stanowisku badawczym (fot. KOMAG)

Rozwiązanie to pozwala operatorowi lokomotywy na sterowanie lokomotywą z bezpiecznej odległości szczególnie podczas załadunku oraz rozładowywania urobku.

Lokomotywa Ld-31EM, w której zabudowano bez- szczotkowe silniki z magnesami trwałymi, testowana była w jednej z kopalń rud miedzi. W wyniku zdobytych doświadczeń przystąpiono do drugiego etapu moderni- zacji. Polegał na opracowaniu mikroprocesorowego systemu sterowania dla lokomotywy Ld-31EM [2].

W skład systemu wchodzą: specjalnie skonstruo- wany nowoczesny pulpit operatorski, z centralnym ste- rownikiem mikroprocesorowym oraz lokalne sterowniki (koncentratory sygnałów) znajdujące się w module za- silania, w pulpicie do obsługi elementów manipulacyj- nych oraz w specjalnej obudowie do obsługi czujników znajdujących się w lokomotywie. Oba napędy sterowa- ne są wektorowo. Sterownik centralny komunikuje się ze sterownikami przekształtników energoelektronicz- nych, sterując prędkością i kierunkiem jazdy w obu na- pędach. Badania laboratoryjne modelu opracowanego rozwiązania sterowania (rys. 5), przeprowadzono na stanowisku badawczym firmy SOMAR. Próby i badania poszczególnych podzespołów układu sterowania po- twierdziły poprawność przyjętych załoŜeń oraz popraw- ność działania modelu.

Pilotujący egzemplarz rozwiązania sterowania, z pulpitem (rys. 6) przetestowano, na zbliŜonym do rzeczywistego, układzie napędowym, składającym się z przekształtnika energoelektronicznego i silnika, na stanowisku badawczym w BOBRME KOMEL. Przepro- wadzono testy na biegu jałowym i z maksymalnym obciąŜeniem, z róŜnymi prędkościami dla obu kierun- ków obrotów silnika. Próby potwierdziły poprawność transmisji danych pomiędzy sterownikiem pulpitu, a sterownikiem przekształtnika.

Na płycie czołowej tego pulpitu zabudowano:

− wyświetlacz (ekran) ciekłokrystaliczny o wysokiej rozdzielczości,

− przycisk wyłączenia awaryjnego z blokadą,

− diodę sygnalizującą obecność napięcia 12 V,

− diodę sygnalizującą załączenie lokomotywy,

− przyciski START do załączenia i STOP do wyłącze- nia lokomotywy,

− przycisk zmiany świateł: krótkie/długie,

− przycisk do jazdy wybiegiem z opuszczonym odbie- rakiem prądu,

− stacyjka do wyboru rodzaju sterowania: lokalne z kabiny lub zdalne z pilota radiowego,

− łącznik wyboru rodzaju sterowania lokalnego: praca manewrowa/0/praca transportowa,

− łącznik wyboru rodzaju sterowania zdalnego: holo- wanie/praca na wywrocie/załadunek,

− łącznik wyboru kierunku jazdy,

− łącznik do podnoszenia i opuszczania odbieraka prądu,

− przyciski serwisowe.

Umieszczony na pulpicie przycisk do „jazdy wybie- giem” umoŜliwia opuszczenie odbieraka prądu i jazdę lokomotywy nagromadzoną energią kinetyczną. Wciś- nięcie przycisku WYBIEG blokuje moŜliwość zadawa- nia dodatkowego momentu napędowego. „Jazda wy- biegiem” umoŜliwia przejazd lokomotywy przez strefy, w których występuje chwilowy brak sieci trakcyjnej oraz przejazd na rozjazdach, gdzie wymagane jest opusz- czenie odbieraka prądu celem przejazdu przez zwrot- nicę w wymaganym kierunku.

Nowością jest równieŜ moŜliwość pracy lokomo- tywy przy obniŜonym napięciu zasilania. Praca w tym trybie pozwala na jazdę lokomotywy w miejscach, gdzie napięcie trakcji jest niŜsze od wymaganego np.

w zajezdni lub pod suwnicami. W celu szybkiej lokali- zacji nieprawidłowości spowodowanych np: błędnymi ustawieniami łączników, wystąpieniem stanów przed awaryjnych lub awarii, niezbędne informacje są wy- świetlane w postaci komunikatów dedykowanych dla uŜytkownika oraz serwisu. Komunikaty te są wyświe- tlane na ekranie pulpitu (rys. 7). Komunikaty dla serwi- su są moŜliwe do odczytu po wprowadzeniu kodu do- stępu. Nastawy parametrów eksploatacyjnych mogą być korygowane tylko przez serwis lub upowaŜnione osoby.

Ekran ciekłokrystaliczny umoŜliwia wyświetlanie:

− komunikatów tekstowych,

− aktualnej prędkości jazdy w m/s,

− aktualnej daty oraz godziny,

− ilości przebytych kilometrów (dobowych oraz całko- witych),

− napięcia sieci trakcyjnej oraz pobieranego przez lo- komotywę prądu całkowitego,

− wartości prądu pobieranego przez poszczególne silniki,

− aktualnej temperatury poszczególnych silników oraz przekształtników,

− napięcia na akumulatorze oraz prądu,

− wybranego rodzaju świateł (krótkie /długie),

− ciśnienia spręŜonego powietrza w układzie odbie- raka prądu, hamulców oraz zbiornika,

− wybranego kierunku jazdy.

Zastosowanie ekranu ciekłokrystalicznego wysokiej rozdzielczości umoŜliwia, w bardzo dobry i wygodny sposób, obserwację i analizę aktualnych parametrów ruchowych lokomotywy.

W pulpicie sterowniczym MPS-1 (rys. 8) mikroproce-sor zapisuje w nieulotnej pamięci wszystkie parametry pracy, w tym pomiary, wartości zadane oraz stany we- wnętrznych zmiennych, poszczególnych podsystemów.

Rys.6. Pulpit na stanowisku badawczym (fot. KOMAG) Rys.8. Nowoczesny pulpit sterowniczy MPS-1 zabudowany w kabinie lokomotywy (fot. KOMAG)

Rys.7. Widok ekranu pulpitu sterowniczego (fot. KOMAG)

Rys.9. Schemat blokowy sterowania z nowoczesnym pulpitem

Schemat blokowy sterowania z nowym pulpitem przedstawiono na rysunku 9.

Przeprowadzone próby podzespołów na stano- wisku badawczym u producenta pulpitu oraz testy na stanowisku badawczym w BOBRME KOMEL dały po- zytywne wyniki w aspekcie poprawności transmisji da- nych pomiędzy sterownikiem pulpitu, a sterownikiem przekształtnika. Zastosowanie nowego pulpitu pozwala na zwiększenie moŜliwości monitorowania parametrów ruchowych lokomotywy, na znaczne zredukowanie ilo- ści przewodów elektrycznych oraz wyeliminowanie z układu skrzynek rozgałęźnych. Zastosowanie w pulpi-cie mikroprocesora zapisującego w pamięci wszystkie parametry pracy pozwoli na wgląd w historię pracy lokomotywy.

Po uzyskaniu aneksu do certyfikatu, lokomotywa poddawana jest obserwacjom ruchowym na jednej z kopalń węgla kamiennego.

3. Koncepcja rozwiązania napędu i stero-