Повышение энергоэффективности тягового электропривода карьерного самосвала

Статья посвящена вопросу повышения энергоэффективности тягового электропривода карьерного самосвала за счёт применения энергоэффективного преобразователя энергии. Совершенствование бортового преобразователя энергии как составляющей тягового электрического привода является важнейшей задачей повышения энергоэффективности автономного источника питания карьерного самосвала. В качестве бортового преобразователя энергии на карьерных самосвалах применяются традиционные инверторы, но их энергетические показатели, а именно КПД и коэффициент мощности, могут быть существенно повышены. В статье приведена информация о многоуровневых инверторах как о более энергоэффективной замене традиционных инверторов. Использование многоуровневых инверторов может кардинально изменить профиль энергопотребления карьерных самосвалов, что приведет к повышению эффективности работы, то есть к экономии электроэнергии и снижению воздействия на окружающую среду. Многоуровневый инвертор веерного типа, с усовершенствованной топологией в сравнении с традиционными многоуровневыми инверторами, предложен для повышения энергоэффективности тягового привода карьерного самосвала. Приведено имитационное моделирование топологии усовершенствованного инвертора веерного типа. Для демонстрации положительного эффекта от внедрения предлагаемой топологии приведён сравнительный анализ результатов моделирования традиционного мостового инвертора, пятиуровневого инвертора с нейтральной точкой и усовершенствованного инвертора веерного типа.

Капустин А. В., Щуров Н. И. Повышение энергоэффективности тягового электропривода карьерного самосвала // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 10-1. — С. 229—244. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_101_0_229.

Капустин Андрей Владимирович¹ — аспирант, e-mail: andrey.kapustinnstu@yandex.ru;
Щуров Николай Иванович¹ — заведующий кафедры «Электротехнические комплексы», доктор технических наук, профессор, e-mail: nischurov@mail.ru;
¹ Новосибирский государственный технический университет.

Капустин А. В., e-mail: andrey.kapustinnstu@yandex.ru

1. Дубинкин Д. М., Карташов А. Б., Арутюнян Г. А., Бузунов Н. В., Сорокин К. П., Ялышев А. В. Современное состояние техники и технологий в области карьерных самосвалов с накопителями энергии // Горное оборудование и электромеханика. — 2020. — № 6(152). — С. 31–42. DOI: 10.26730/1816-4528-2020-6-31−42.

2. Huawei Zhang, Yong Ma, Zhenzhong Yang, Lijun Wang, Shuman Guo, Bin Hao. Study on energy conservation and emission reduction of pure electric non-road mining dump truckс // E3S Web of Conferences 268 VESEP2020, 2021. URL: https://doi. org/10.1051/e3sconf/202126801025.

3. Виноградов А. Б., Гнездов Н. Е., Чистосердов В. Л., Коротков А. А. Улучшение характеристик тягового электрооборудования карьерных самосвалов // Сборник трудов XI Международной (XXII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2020. — СПб: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», 2021. — С. 53–57.

4. Малафеев С. И., Серебренников Н. А. Повышение энергетической эффективности карьерных экскаваторов на основе модернизации электрооборудования и систем управления // Уголь. — 2018. — № 10(1111). — С. 30–35. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-10−30−34.

5. Кузнецов К. Б., Горожанкин А. Н., Функ Т. А., Хусаинов Ш. Н., Круглов Г. А., Коржов А. В. Способы снижения потерь в электроприводах и повышение электробезопасности при их обслуживании // Электротехника. — 2017. — № 4. — С. 26–29.

6. Бережнов Д. А. Многоуровневый автономный инвертор напряжения // Железнодорожный транспорт. — 2021. — № 7. — С. 42–43.

7. Franquelo L. G., Rodriguez J., Leon J. I., Kouro S., Portillo R., Prats M. A. M. The age of multilevel converters arrives // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2008, vol. 2, no. 2, pp. 28–39. DOI: 10.1109/MIE.2008.923519.

8. Kouro S., Malinowski M., Gopakumar K., Pou J., Franquelo L. G., Bin W., Rodriguez J., Perez M. A., Leon J. I. Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel Converters // IEEE Trans. Ind. Electron. 2010, vol. 57, no. 8, pp. 2553–2580. DOI: 10.1109/TIE.2010.2049719.

9. Poorfakhraei A., Narimani M., Emadi A. A Review of Multilevel Inverter Topologies in Electric Vehicles: Current Status and Future Trends // IEEE Open Journal of Power Electronics. 2021, vol. 2, pp. 155−170. DOI: 10.1109/OJPEL.2021.3063550.

10. Balasubramanian M., Geetha B. T. Reduction of Harmonics in Multilevel Inverter using Phase Disposition PWM compared with Conventional PWM based on Efficiency // 2022 5th International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I), Uttar Pradesh, India, 2022, pp. 855–861. DOI: 10.1109/IC3I56241.2022.10072518.

11. Panda A., Panda G. Modular multilevel inverter configuration with lesser switch counts // 2022 4th International Conference on Energy, Power and Environment (ICEPE), Shillong, India. 2022, pp. 1–5. DOI: 10.1109/ICEPE55035.2022.9798098.

12. Haw L. K., Jefry N. A., Ing W. K. The New Hybrid Multilevel Inverter with Reduced Number of Switches // 2021 IEEE 11th International Conference on System Engineering and Technology (ICSET), Shah Alam, Malaysia. 2021, pp. 337–341. DOI: 10.1109/ICSET53708.2021.9612532.

13. Rao S. N., Kumar D. V. A., Babu C. S. New multilevel inverter topology with reduced number of switches using advanced modulation strategies // 2013 International Conference on Power, Energy and Control (ICPEC), Dindigul, India. 2013, pp. 693– 699. DOI: 10.1109/ICPEC.2013.6527745.

14. Nabae A., Takahashi I., Akagi H. A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter // IEEE Transactions on Industry Applications. 1981, vol. IA-17, no. 5, pp. 518–523. DOI: 10.1109/TIA.1981.4503992.

15. Bouamrane O., Khalili T., Tyass I., Rafik M., Raihani A., Bahati L., Benhala B. Flying capacitors multilevel inverter: architecture, control and active balancing. E3S Web of Conferences, 2022, vol 336. DOI: 10.1051/e3sconf/202233600039.

16. Gaikwad A., Arbune P. A. Study of cascaded H-Bridge multilevel inverter // 2016 International Conference on Automatic Control and Dynamic Optimization Techniques (ICACDOT), Pune, India. 2016, pp. 179–182. DOI: 10.1109/ICACDOT.2016.7877574.

17. Капустин А. В., Щуров Н. И. Обзор основных топологий многоуровневых инверторов // Электротехника. — 2023. — № 5. — С. 43–48.

18. Burguete E., López J., Zabaleta M. New Five-Level Active Neutral-PointClamped Converter // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015, vol. 51, no. 1, pp. 440–447. DOI: 10.1109/TIA.2014.2334737.

19. Salcu S. I., Iuoraş A. M., Szekely N. C., Bojan M., Rusu C. G., Fasolă G. I. Active Power Factor Compensation Based on a Geometric Phase Control Scheme // 2020 IEEE 11th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Dubrovnik, Croatia. 2020, pp. 130–135. DOI: 10.1109/ PEDG48541.2020.9244319.

20. ElGebaly A. E., El-Wahab Hassan A., El-Nemr M. K. Reactive Power Compensation by Multilevel Inverter STATCOM for Railways Power Grid // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Saint Petersburg and Moscow, Russia. 2019, pp. 2094–2099. DOI: 10.1109/EIConRus.2019.8657058.

21. Терованесов М. Р., Литвинова Е. А., Таранов С. В. Вопросы компенсации реактивной мощности // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. — 2017. — № 47. — С. 4–10.

22. Jianyao H., Juan W., Hemeng P., Qi P., Qingli H. Application of fuzzy logic algorithm for optimization of control strategy in electric vehicles // 2017 IEEE 2nd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), Chongqing, China. 2017, pp. 2042–2045. DOI: 10.1109/IAEAC.2017.8054375.

23. Жеребкин Б. В. Система векторного управления тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики: автореф. дисс. … канд. техн. наук. — СПб, 2005. — 22 с.

24. Шонин О. Б., Пронько О. Б. Энергосберегающие алгоритмы частотного управления асинхронным приводом с уточнением области минимума потерь на основе методов нечеткой логики // Записки Горного института. — 2016. — Т. 218. — С. 270–280.