Вначале рассмотрим диапазон регулирования частоты. Максимальная частота /1тах иа выходе преобразователя при заданной максимальной скорости движения От**, числе пар полюсов АТД р, диаметре колеса Он и передаточном отношении тягового редуктора р определяется ИЗ выражения /1тах = р\1У т«х/(3,6 л?>„).

Минимальную частоту тока статора АТД следует выбирать для режима трогаиия поезда с места, когда двигатель должен реализовать пусковой момент Мв, соответствующий (1,3-М,5) М „ом- Обычно в этом случае используют и-образиые характеристики АТД [зависимость 11 (/,) для заданного момента], которые позволяют определить минимальное значение тока статора. Расчет У-образных характеристик приведен ниже. Режим пуска заканчивается, когда фазное напряжение двигателя достигает номинального значения.

Рассмотрим рациональный режим пуска тягового асинхронного двигателя ЭПС. Магнитный поток машины (см. рис. 2.1)

Согласно уравнению (2.21) Е0 (или Г2) определяется только абсолютным скольжением /2. Следовательно, при фиксированном значении ?„ (или Г2) момент АТД однозначно определяется этим скольжением /2.

Поэтому в процессе пуска для достижения М = const необходимо поддерживать неизменным значение /2. На практике для этого используют автоматический регулятор частоты (РЧ), который измеряет текущее значение частоты вращения ротора /вр = рл2/60 и регулирует частоту тока статора в соотношении = /вр + /2уст, где /2уСТ - уставка абсолютного скольжения.

Из векторной диаграммы, представленной на рис. 2.5, б, находим ток статора:

Из уравнений (2.21), (2.22), (2.26), (2.29), (2.30) видно, что при пуске АТД с постоянным потоком и фиксированным абсолютным скольжением неизменными величинами, не зависящими от частоты flt являются: момент М, углы ф2 и фв, токи Г2 и 1Х. Из перечисленных параметров иа практике относительно просто можно контролировать ток статора /2. Следовательно, повышать напряжение при пуске от 0 до U ом необходимо под контролем регулятора тока статора (РТ). В этом случае при автоматическом поддержании фиксированных значений /2 и 1Х будут выполнены условия Ф = const и Л1 = const.

Структурная схема управления одним асинхронным тяговым двигателем электровоза приведена на рис. 2.6. Сигналы управления для тиристоров преобразователя частоты, состоящего из выпрямителя В и автономного инвертора АИ, формируются системой управления СУ. Текущее значение тока 1Х и частота вращения /вр измеряются датчиками Д1 и Д2. Заданные значения тока и абсолютного скольжения (/1уСТ, /ауст) вводятся в регуляторы частоты РТ и РЧ от контроллера машиниста КМ.

Для мощных АТД параметр /2 обычно ие превышает 0,01-0,02 и Г2//2 > *2. Приняв *2 « 0 и cos ф2 « 1, выражение (2.27) можно упростить:

Структурная схема управления АТД электровоза

Рис. 2.6. Структурная схема управления АТД электровоза

Из этого уравнения следует, что фиксированному значению момента соответствует множество сочетаний Е0 и /5, удовлетворяющих условию

ЦП^М^гЩОАПр). (2.33)

При изменении ?0 ток /ц в соответствии с кривой намагничивания изменяется, что вызывает изменение тока статора 1Х. Известно, что зависимости 1Х (/2) для фиксированных значений момента И-образные [5,6]. Оптимальное значение абсолютного скольжения /20пт для заданного М соответствует минимальному значению тока /ь определяемому по и-образной характеристике для данного М.

Режим минимального тока /х совпадает с условием минимума выпрямленного тока 1Л. Это обеспечивает снижение нагрузки полупроводниковых приборов выпрямителя, обмоток сглаживающего реактора ЕА и трансформатора. Этот режим обеспечивает решение одной из главных задач - коммутации в автономном инверторе напряжения (АИН) минимального тока, что позволяет значительно снизить установленную мощность контура коммутации. Кроме того, режим минимального тока 1Х при пуске способствует снижению потерь мощности в обмотках АТД, в диодах и тиристорах преобразователя частоты. Поэто-су в регуляторах РТ и РЧ при изменении уставки тока статора следует одновременно изменять уставку абсолютного скольжения так, чтобы данному значению /1уст соответствовало оптимальное значение /20п1.

Приведенные выше соотношения позволяют построить семейство и-образиых характеристик АТД по отдельным точкам кривой Е0 (/Д используя численный метод расчета. Для этого задаются фиксированным моментом М и находят несколько пар значений Е0 и /?, удовлетворяющих условию (2.33). Для каждого значения Е0 по характеристике Е„ (/д) находят /д. Относительную частоту тока статора /I принимают любой в диапазоне от /5 до 1.

Используя соотношения (2.21), (2.22), (2.29), (2.30), определяют значения 1х- Графическое построение зависимости /х (/*) позволяет найти для заданного момента минимальное значение /ітіп и соответствующее ему /*опт.

Характеристики тягового двигателя НБ-602 (рис. 2.7) приведены для двух значений кратности момента Км = М/М „ом (1 и 1.5) и двух значений температуры обмоток (-50 и ПО °С). Токи /* и /2 даны в относительных единицах (за базовые величины приняты их номинальные значения). Там же нанесены значения потока Ф* = Ф/Ф„0м- Сопротивление обмоток при изменениях температуры определяется по

образиые характеристики двигателя НБ-602 (штриховые линии - ток I? при неподвижном роторе)

Рис. 2.7. 11-образиые характеристики двигателя НБ-602 (штриховые линии - ток I? при неподвижном роторе)

формуле г» = г20 11 + 0,004 (/-20)], где гго - сопротивление обмотки при 1 = 20 °С.

При фиксированных значениях Е0 и /д согласно уравнениям (2.21)- (2.23) и (2.29) момент и ток 1Х не зависят от г2, если /5 изменять пропорционально сопротивлению Гг- Поскольку зависимость г2 (0 линейна, то скольжение /2опт также линейно зависит от температуры обмоток. Соответственно В регулятор частоты ДЛЯ коррекции уставки /20пт следует ввести сигнал от датчика температуры ДЗ (см. рис. 2.6), который целесообразно выполнить в виде терморезисторов, размещенных в пазах статора.

Зависимости /1 и /1опт от кратности момента Км для двигателя НБ-602 (рис. 2.8) определяют значения сигналов /1уст и /2уСТ, вводимых в систему регулирования. Из рис. 2.8 видно, что оптимальное скольжение /2опт имеет практически линейную зависимость от развиваемого двигателем момента; при температуре обмоток 110°С эта зависимость описывается уравнением /20ПТ = 0,2+0,6 Км-

Если ток статора /х характеризует нагрузку АТД и вентилей инвертора, то нагрузка вентилей выпрямителя, обмоток сглаживающего реактора и трансформатора определяется выпрямленным током 1Л. В случае питания АТД от инвертора напряжения АИН при 180-гра-дусном управлении токи и 1Х по основной гармонике связаны соотношением 1а - 1,35/х сое <р2 [9].

Поскольку для фиксированных значений момента характеристики /* (/2) определены выше, то для нахождения зависимостей /2 (/*) достаточно рассмотреть функцию сое <р2 (/2). Для этого расчет и-образных характеристик по изложенной выше методике дополняется вычислениями фи и фх по уравнениям (2.31) и (2.32). Так как угол ф(1 зависит от /х, то в разных диапазонах изменения частоты тока статора функция сое фх(/2) имеет различный вид (рис. 2.9, а). В начальной стадии пуска сое фх слабо зависит от скольжения /2, (кривая /х = /*)» ПРИ этом зависимость /2 (/2) имеет 11-образный характер, и значения /2оПт> соответствующие минимальным токам /х и /,*, практически совпадают (см. рис. 2.7). По мере увеличения частоты /х зависимость сое фх (/2) становится более существенной и сое фх резко уменьшается при снижении абсолютного скольжения. Поэтому функция /2 (/*) в этом случае не имеет 11-образного характера; по мере снижения скольжения /2 ток /2 монотонно убывает.

Рис. 2.8. Зависимости и (20Вт от кратности момента в режиме минимального тока статора двигателя НБ-602

Зависимости совф) от абсолютного скольжения (а) и от частоты тока статора (б)

Рис. 2.9. Зависимости совф) от абсолютного скольжения (а) и от частоты тока статора (б)

На рис. 2.9, б дана зависимость сое фх (/*), соответствующая режиму пуска двигателя НБ-602 при минимальном токе /х и Км~ 1,5. Там же нанесены значения коэффициента Кл, который показывает относительное возрастание тока при снижении /*. Коэффициент /О равен отношению текущего значения сое ф| к значению сое ф, при /1=1. Значение Ка максимально при неподвижном роторе и равно 1,18. С увеличением частоты коэффициент Кл интенсивно уменьшается, и при /* >0,1 относительное возрастание тока становится меньше 3 % и этим приращением тока можно пренебречь.

Как следует из рис. 2.9, б, усредненное возрастание тока 1Л в диапазоне частот /* <0,1 (что соответствует скорости электровоза ВЛ80а-751 от 0 до 7 км/ч) не превышает 10 %. Продолжительность этого режима мала и для указанного электровоза составляет примерно 25 с. Такое кратковременное и незначительное возрастание тока 1Л в начальной стадии пуска не может повлиять на тепловой режим обмоток сглаживающего реактора и трансформатора. Не потребуется увеличения числа полупроводниковых приборов выпрямителя, так как тиристоры допускают перегрузку по току в течение 1 мин примерно на 20 %. Вместе с тем имеется простая возможность уменьшения тока 1а в начальной стадии пуска вследствие использования 150-градусного управления инвертором.

Рассмотрим диапазон регулирования напряжения. Момент АТД при заданной частоте тока ротора согласно выражению (2.27) с учетом уравнения (2.19) пропорционален квадрату магнитного потока. В начальный период пуска, во избежание резких толчков силы тяги, необходимо плавно увеличивать момент от нуля. Поскольку нулевому значению магнитного потока соответствует нулевое значение напряжения на выходе преобразователя, то ?/1т)п ж 0.

Более сложен вопрос о максимальном значении выходного напряжения Uimax. Преобразователь должен прежде всего позволять реализацию расчетной мощности АТД в номинальном режиме при номинальной скорости движения wH0M. Следовательно, величина l/lmaxдолжна быть не меньше номинального напряжения на статоре АТД ?/1ном-При этом необходимо учесть возможные колебания напряжения контактной сети, внешние характеристики преобразовательной установки И т. д.

В зоне скоростей ОТ 0НОМ ДО Umax Целесообразно обЄСПЄЧИТЬ работу АТД при постоянной мощности на валу двигателя: Pt = Ргпом = = const. Так как при частоте тока статора выше номинальной І/, ж ?„, выражение (2.23) с учетом уравнения (2.19) примет вид

flf* cosq),. (2.34)

' 2 ном ri

Отсюда видно, что режим Рг = Р2Н0М = const может быть получен двумя способами (возможна их комбинация).

1. При постоянной частоте тока ротора ft путем увеличения выходного напряжения преобразователя до значения

^lmax = ^т<ш VVlmax/ZiHoM =^1ном ~V^тах/^иом = ^іиом VКо» где Kv = vma,JvH0M - коэффициент регулирования скорости локомотива.

2. Путем увеличения частоты тока ротора /2 при неизменном напряжении 0г = 1/1И0М. Этот режим сравнительно легко реализуется системой автоведения, если уставка f23 повышается по сигналу датчика скорости. Данный режим аналогичен режиму ослабления возбуждения коллекторных тяговых двигателей.

В обоих рассматриваемых случаях ток статора не превосходит номинального значения /1Я0М. С другой стороны, расчетный ток нагрузки полупроводниковых приборов преобразователя и соответственно число их параллельных ветвей определяются током АТД при пуске электровоза. Поскольку пусковой ТОК выше номинального, ТО /ірасч > > /том- Поэтому загрузка тиристоров по току и число параллельных ветвей полупроводниковых приборов не зависит от того, каким из двух рассматриваемых способов реализуется режим Pt - const.

Повышение выходного напряжения до значения вле чет за собой (в первом случае) увеличение числа последовательно соединенных полупроводниковых приборов при заданном их классе по напряжению. В результате возрастают общее число тиристоров и диодов преобразователя, его объем, масса и стоимость, причем этот рост происходит в тем большей степени, чем выше коэффициент К„. Кроме того, растут типовая мощность, масса и объем тягового трансформатора.

Второй способ, при котором режим Pt = const достигается при неизменном напряжении иг = ?/1иом, свободен от указанных недостатков. В этом случае общее число тиристоров и диодов преобразовательной установки, объем и масса как преобразователя, так и трансформатора оказываются минимальными.

В режиме Р2 - const момент АТД при максимальной скорости движения должен составлять ЛҐ = Миомв. Поэтому необходимо оценить изменение перегрузочной способности двигателя для двух рассматриваемых случаев.

Максимальный (опрокидывающий) момент двигателя Мр, при прочих равных условиях, пропорционален квадрату магнитного потока:

Следовательно, если режим Pt = const реализуется при неизменном напряжении Ut = 01яом путем увеличения частоты абсолютного скольжения ротора то перегрузочная способность АТД снижается пропорционально /С„. Так как условие К'р = 1 (т. е. М' = Мр) является граничным по реализуемому моменту, обеспечить режим Рг = const при неизменном напряжении 1/г = І/1И0М можно при условии /Срном Kv-

Если же К в превышает перегрузочную способность /Срном. то для обеспечения режима Рг = const может быть применено ком бинированное регулирование как напряжения Ult так и частоты /2. Коэффициент скоростей можно записать в виде Kv = /Срном К\, где К{ = Кс/К риом >1-

Представим максимальную скорость движения как wmax = Кр „ом X X (^Ci^hom)-

Если ДО скорости /Ci'Whom осуществлять (как это требуется по первому способу) повышение напряжения ДО значения t/imax=^l]^Ki« «^ihom]/KJKриом, то перегрузочная способность АТД в соответствии с выражением (2.38) сохранится неизменной и равной Кр ном- Затем от скорости K\vHOM до wmax режим Рг = const может быть обеспечен при ПОСТОЯННОМ напряжении UlmaX = U1H0М V KJKp ном вследствие повышения частоты абсолютного скольжения ротора /2. Отсюда следует, что при Kvрн0к максимальное выходное напряжение преобразователя

t^imax ~ t^nioM VKv/k Р нОМ- (2.40)

Таким образом, из рассмотренных двух способов регулирования режима работы АТД при Рг - const в заданных координатах тяговой характеристики видно, что в первом случае неизбежно возрастают масса и габаритные размеры преобразователя при минимальной массе и габаритных размерах АТД. Во втором случае получаем минимальную массу и габаритные размеры преобразователя при увеличенной массе и габаритных размерах АТД. Из двух решений выбирают оптимальное.

Электротягопю м тяговые характеристики АТД при частотном управлении и их расчет | Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями | Критическое скольжение асинхронного тягового двигателя в начальной стадии пуска с учетом насыщения магнитной цепи

Рекомендуемый контент: