В процессе эксплуатации ЭПС с асинхронными двигателями возможны нарушения нормальной работы электропередачи, которые возникают в результате воздействия внешних факторов или являются следствием повреждения элементов электропривода. Как правило, аварийные режимы при свободном их протекании сопровождаются значительными перегрузками элементов электропередачи. При этом наиболее повреждаемыми элементами электропривода являются полупроводниковые преобразователи, а именно полупроводниковые приборы, которые вследствие малой теплоемкости полупроводниковой структуры имеют высокую чувствительность к сверхтокам и малую перегрузочную способность по току.

Причинами аварийных режимов работы, сопровождающихся сверхтоками, могут быть: постоянные или кратковременные перегрузки по току в результате повышения мощности нагрузки выше допустимой (расчетной); короткие замыкания на выходе или входе преобразователя; включение полупроводникового прибора при отсутствии управляющего импульса под воздействием напряжения в проводящем направлении; невыключение полупроводникового прибора в заданный момент времени при последующем приложении к нему прямого напряжения, вызывающего повторное его включение.

Указанные причины тесным образом связаны с режимами работы локомотива и могут возникать как при стационарных, так и при нестационарных процессах в тяговой электропередаче.

Кратковременные перегрузки обычно имеют характер коротких замыканий в самом преобразователе или вне его и сопровождаются быстрым нарастанием тока. При этом значение аварийного тока и скорость его изменения зависят от параметров элементов, входящих в коротко-замкнутый контур, а также от начальных значений токов и напряжений на элементах преобразователя. В зависимости от места возникновения короткого замыкания (КЗ) характер аварийного процесса, а также степень его опасности для элементов преобразователя будут различными.

Для тяговой электропередачи ЭПС с АТД аварийные режимы могут возникнуть вследствие КЗ как во входном, так и в выходном преобразователях. Электромагнитные процессы при КЗ во входном преобразователе (выпрямителе) практически не отличаются от таковых для ЭПС переменно-постоянного тока с тяговыми двигателями пульсирующего

тока и достаточно подробно исследованы. Короткие замыкания в выходном преобразователе (автономном инверторе) являются наиболее частой причиной аварийных режимов в тяговой передаче и вызывают значительные перегрузки как в электрической, так и в механической частях привода.

Анализ нарушений нормальной работы электропривода с асинхронным двигателем и автономным инвертором напряжения (рис. 12.1) показывает, что наиболее часто встречающимся случаем является сквозное КЗ одной из фаз инвертора, причинами которого могут быть (например, для фазы А инвертора) пробой тиристора УБ!, самопроизвольное его включение или подача на него сигнала управления при включенном тиристоре УБ2, включение тиристора 1^2 до момента выключения тиристора УЗ/. В свою очередь невыключение тиристора может быть вызвано снижением коммутационной способности инвертора из-за увеличения мгновенного значения тока нагрузки, снижения напряжения на коммутирующем конденсаторе перед коммутацией или изменением параметров элементов контура коммутации. Во всех случаях аварийный процесс развивается как КЗ за сглаживающим реактором и сопровождается нарастанием тока выпрямителя разрядом конденсатора фильтра Сф и ударным током асинхронного двигателя, фазы которого в этом случае оказываются закороченными через проводящие тирисгоры или диоды на нескоммутированиую фазу инвертора У81, УБ2.

Воздействию аварийных токов в этом случае подвергаются элементы выпрямителя, автономного инвертора и асинхронного тягового двигателя. При этом характер изменения токов КЗ различен и зависит от конфигурации короткозамкнутой цепи и источников энергии, входящих в такую цепь.

Упрощенная схема преобразователя для исследования аварийных режимов

Рис. 12.1. Упрощенная схема преобразователя для исследования аварийных режимов

При сквозном КЗ в инверторе выпрямленный ток Ц без учета влияния активных сопротивлений и коммутации в выпрямителе в любой полупериод [59]:

(12.1)

где /гів - ток в конце предыдущего полупериода; (/(щах - амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора; хт и хср - соответственно индуктивные сопротивления КЗ трансформатора и сглаживающего реактора.

За каждый полупериод выпрямленный ток возрастает на Дігі =

- 4і/2тах/ІЛ (ХТ-гХср)|. ЭТО ПОЗВОЛЯЄТ При Хср > Хт ПрИбЛИЖеИНО СЧИ-

тать (рис. 12.2):

Характер аварийного процесса в инверторе имеет ряд особенностей, заключающихся в том, что ток короткого замыкания ікз через полупроводниковые приборы аварийной фазы будет определяться суммой токов выпрямителя /*, разряда конденсатора фильтра і^ф и ударного тока КЗ асинхронного двигателя іА, т. е. ік3 = іа + іСф + іл.

Разряд конденсатора фильтра имеет, как правило, колебательный характер с частотой «о = XIV 1яСф, определяемой емкостью Сф и эквивалентной индуктивностью С3 токоограиичивающих реакторов и соединительных проводов. При этом ток

(12.2)

где р = У^Сф - волновое сопротивление; в = К9/(2^) - коэффициент затухания, зависящий от активных сопротивлений соединительных проводов, дифференциального сопротивления тиристоров и диодов и потерь ¦ конденсаторе.

Кривая изменения тока и при КЗ

Рис. 12.2. Кривая изменения тока и при КЗ

Амплитуда разрядного тока конденсатора может достигать нескольких десятков килоампер, так как эквивалентная индуктивность ?э<10-4Ги, емкость Сф>10-* Ф, а волновое сопротивление р составляет десятые доли ома. Так, для электровоза ВЛ80®-751 при Ьэ « 10-4 Гн, Сф = 4-10“* Ф и напряжении (Ус (0) = 1700 В амплитуда разрядного тока /Сф тах = = 10 750 А. Частота собственных колебаний в цепи разряда конденсатора достаточно велика: <¦>„ «

« (24-3)10* с-1. При добротности контура разряда конденсатора (}= = 54-7, что соответствует активному сопротивлению 10Ом, ко

лебания затухают через несколько периодов. И хотя длительность воздействия аварийного тока разряда конденсатора фильтра относительно невелика (единицы миллисекунд), это может привести к повреждению тиристоров инвертора.

Третья составляющая тока через тиристоры короткозамкнутой фазы инвертора определяется ударным током короткого замыкания АТД и зависит от запаса энергии, накопленной в магнитном поле двигателя, и скорости вращения ротора двигателя.

Для анализа электромагнитных процессов, возникающих в АТД при коротком замыкании, необходимо решить уравнения асинхронной машины, которые в неподвижной относительно статора системе координат имеют вид:

и обозначив р1 = 64 + уш1; /?, = 62 /(о5 (здесь 6, и 62 - коэф

фициенты затухания; со* и со$ - частоты свободных составляющих), перейдем в уравнениях (12.4) к оригиналам:

Коэффициенты уравнений (12.6) определяем через параметры двигателя и начальные условия:

Выражения (12.6) позволяют найти потокосцепления статора и ротора, используя которые, определим ток статора:

?і = -7т(Фі-*»$*)• (12.в)

Фазные токи находим как проекции результирующего вектора на соответствующие оси, т. е.

(12.9)

Используя выражения (12.6), с учетом формул (12.5) и (12.7) можно рассчитать электромагнитные процессы в АТД при коротком замыкании в инверторе и определить токовую нагрузку тиристоров инвертора. При этом характер процессов, как указывалось ранее, будет зависеть от частоты вращения ротора двигателя. Годографы потоко-сцеплений статора фх и ротора ф2 (рис. 12.3) соответствуют режиму КЗ быстровращакнцегося двигателя НБ-602. Этому режиму предшествовал режим работы при номинальном напряжении (У, =¦ 750 В, частоте /х = 84 Гц и частоте тока ротора /, = 1 Гц. Короткое замыкание происходит в момент времени, соответствующий выключению тиристора У5>1 и включению тиристора К52. Вектор напряжения 1У1(0) до момента возникновения КЗ совпадает с направлением оси р системы координат а, р. (Рассматривается первая гармоника фазного напряжения.) Векторы фг(0) игр, (0) практически ортогональны вектору Их (0), что объясняется малым влиянием активного сопротивления статора. При этом вектор гр, (0) совпадает с направлением оси фазы а, вектор грг(0) отстает на небольшой угол. Сдвиг между указанными векторами обусловлен не-идеальностью магнитной связи статора и ротора (Кі?=1,0 и КгФ\,0).

Характер изменения потокосцеплений показывает, что вектор гр,(/) практически сохраняет свое положение в пространстве и уменьшается по амплитуде с постоянной времени, определяемой корнями уравнения (12.5). Вектор грг (/), уменьшаясь по амплитуде, вращается на плоскости с угловой скоростью со, практически равной частоте вращения ротора двигателя. По окончании переходного процесса оба вектора становятся равными нулю.

Характер изменения фазных токов статора короткозамкнутого тягового двигателя можно проследить на рис. 12.4. Ток каждой фазы до момента /0 возникновения КЗ изменяется по гармоническому закону с амплитудой 960 А. После возникновения КЗ в.токах каждой фазы прослеживаются две составляющие: апериодическая и гармоническая затухающая. Апериодическая составляющая определяется запасом энергии, накопленной в обмотке статора двигателя, и затухает с постоянной времени статора Т\. Гармоническая составляющая является следствием трансформаторной связи между обмотками ротора и статора, имеет частоту, практически равную частоте вращения ротора, затухает с постоянной времени ротора Гг и определяется запасом энергии, накопленной в магнитном поле ротора.

Из рис. 12.4 следует, что ударный ток в 5-7 раз превышает номинальный ток двигателя и достигает максимального значення через половину периода после возникновения КЗ.

Токи короткого замыкания в АТД можно определить также из рассмотрения физических процессов, происходящих в двигателе. В установившемся режиме до момента возникиовеиия КЗ векторы потоко-

Рнс 12.3. Годографы векторов потокосцеплений статора ф| и ротора фі тягового двигателя НБ-602 в режиме КЗ при номинальной частоте вращения ротора

Изменение фазных токов статора короткозамкнутого тягового двигателя

Рис. 12.4. Изменение фазных токов статора короткозамкнутого тягового двигателя

сцеплений ір! н ф* примерно равны по модулю и практически совпадают по направлению (см. рис. 12.3).

При возникновении КЗ потокосцепления статора и ротора фиксируются по отношению к своим обмоткам и при допущении, что гг -»-0 и г, 0, образовали бы «замороженные» магнитные поля. Поскольку обмотка статора неподвижна, то и вектор потокосцепления также остается неподвижным в пространстве, а вектор потокосцепления ф2, оставаясь неподвижным относительно обмотки ротора, вращается вместе с ротором в пространстве.

Вращение ротора вызывает изменение взаимного пространственного положения векторов потокосцеплений и, как следствие, стремится нарушить постоянство потокосцеплений ротора и статора. В качестве реакции на такое возмущение в обмотках статора и ротора возникают дополнительные составляющие токов, которые создают магнитные поля, компенсирующие такие отклонения. При этом поскольку потоко-сцеплення статора и ротора сохраняются практически постоянными, то дополнительные магнитные потоки замыкаются по путям рассеяния, что и вызывает значительное увеличение токов в двигателе. Наибольшего значения ток достигает через половину периода после возникновения КЗ, так как в этот момент векторы ф^ иф* будут направлены в противоположные стороны, а потоки статора и ротора замыкаются исключительно по путям рассеяния.

В реальных условиях при г^О и тгФ 0 вектор потокосцепления статора, оставаясь практически постоянным по направлению, изменяется по амплитуде:

Ток фазы статора, например А, с учетом выражений (12.12)

Из выражения (12.13) следует, что ток КЗ содержит апериодическую и гармоническую затухающую составляющие и при о>1/0 - л!2 в момент времени t - л/(о достигает максимального значения:

Так, для рассмотренного случая (см. рис. 12.4) максимальное значение тока в соответствии с выражением (12.14) составит 1дп>ах -= 5995 А. Сравнение с результатами рис. 12.4 показывает их хорошее совпадение,что позволяет для рассматриваемого двигателя использовать приближенные выражения для оценки ударных токов при КЗ.

При коротком замыкании в инверторе наряду с токовыми нагрузками элементов преобразователя большим динамическим нагрузкам подвергаются и элементы механической части привода. Из-за отмеченного характера изменения потокосцеплеиий на ротор двигателя воздействует знакопеременный электромагнитный момент, амплитуда которого может в 4-5 раз превышать номинальные значения момента. Для определения характера изменения электромагнитного момента при известных потокосцеплениях воспользуемся выражением

Результаты расчета электромагнитного момента по выражению (12.15) приведены на рис. 12.5. Из них видно, что после возникновения КЗ в момент времени /0 электромагнитный момент уменьшается и изменяет знак. Приблизительно через одну четверть периода момент достигает максимального значения и далее затухает, изменяясь по гармоническому закону. Частота колебаний момента равна частоте вращения ротора, а скорость его затухания больше, чем скорость затухания токов статора (см. рис. 12.3).

Характер изменения электромагнитного момента имеет простое физическое объяснение. Силы и моменты в любом электромеханическом преобразователе направлены так, что стремятся совместить по кратчайшему пути оси потокосцеплен и я взаимодействующих контуров (статора и ротора). Поэтому в установившемся режиме и в момент времени /0 вектор ф2 отстает от вектора фх, что приводит к появлению «положительного> момента, который, воздействуя на ротор, стремится его повернуть по направлению вращения. После возникновения короткого замыкания вектор ф* продолжает вращаться и при совпадении его с вектором фх момент, действующий на ротор, становится равным ну-

(12.14)

(12.15)

* _

где - вектор, сопряженный С вектором

Рис. 12.5. Расчетные зависимости Мя(1)

лю. При дальнейшем вращении ротора вектор \f2 обгоняет вектор \f, и возникает момент, стремящийся повернуть ротор и вместе с ним вектор if2 в сторону, противоположную вращению, т. е. «отрицательный», или тормозной, момент. Через половину периода векторы^ H\f2 совпадают по направлению, электромагнитный момент становится равным нулю и при дальнейшем вращении вектора if2 изменит знак и будет «положительным».

Значение электромагнитного момента, как это следует из выражения (12.15), пропорционально произведению модулей векторов |ifj| и |тр2| на синус угла между ними. Поэтому положительные и отрицательные максимумы в кривой момента появляются, когда векторы ф, и и if2 взаимно перпендикулярны.

Поскольку электромагнитный момент пропорционален sin (ip2, 'll;]), кратность ударного момента при коротком замыкании для быстровращающейся машины можно оценить величиной sin-1 (if2 (0), if, (0)). Обычно при нормальном режиме работы угол между векторами и ф* составляет 10-15°, что позволяет определить кратность ударного момента значением 4-6.

Так же как и для токов, можно определить приближенные выражения для электромагнитного момента. Электромагнитный момент связан с током і'і н потокосиеплением ф1 статора следующим соотношением:

Ма--=3р 1т (12.16)

Подставив в выражение (12.16) уравнения (12.10) и (12.11), получим

После нахождения модуля потокосцеплеиия статора из выражения (12.12) определим

Из последнего соотношения непосредственно следует, что электромагнитный момент представляет собой синусоиду с частотой о>, затухающую с постоянной времени Т[Т2І(Т[ + Т'і).

Полученные приближенные выражения для нахождения токов и электромагнитного момента при КЗ дают хорошее совпадение с результатами точного решения для быстровращакнцейся машины при ь> > > 0.5(о ,И)М. Для медленновращающейся машины ток и электромагнитный момент следует определить в результате точного решения уравнений (12.3). Это связано с тем, что при медленном вращении вектора по-токосцепления ротора скорость его перемещения относительно обмотки статора становится соизмеримой со скоростью затухания потокосцеп-ления статора. В результате вектор потокосцепления фь изменяясь по амплитуде, уже не сохраняет неизменным положение в пространстве и

начинает поворачиваться в направлении вращения ротора.

Для примера на рис. 12.6 приведены годографы векторов пото-косцеплений ротора и статора двигателя НБ-602 при КЗ (частоты /, = 5 Гц, /, = 1 Гц). Из приведенных годографов видно, что в^момент возникновения КЗ вектор ф2 (0) отстает от вектора ф! (0); это соответствует режиму работы машины двигателем. Затем вектор ф2 Ф продолжает вращаться вместе с ротором и обгоняет вектор фі (/), при этом возникает тормозной электромагнитный момент. Поскольку об-

Годографы векторов пото-косцеплеиий ротора и статора двигателя НБ-602 в режиме КЗ при частоте вращения ниже номинальной

Рис. 12.6. Годографы векторов пото-косцеплеиий ротора и статора двигателя НБ-602 в режиме КЗ при частоте вращения ниже номинальной

мотка статора имеет активное сопротивление Ф 0, то потоко-сцепление ¦ф1(/) затухает и уменьшается по амплитуде. Одновременно с этим в обмотке статора наводится ЭДС, связанная с вращением ротора [вектора (/)], и ток, вызванный этой ЭДС, создает дополнительную составляющую потокосцепления тр! (/), вызывая изменение последнего. В результате вектор (/) как бы увлекается вектором ф8 (/) и, изменяясь по амплитуде, вращается в ту же сторону, что и вектор ф8 (/).

Ток статора (рис. 12.7) при возникновении КЗ возрастает, однако его амплитуда значительно меньше, чем в случае КЗ для быстровраща-ющейся машины. Так как вектор ф8 (/) опережает векторфх (/), то возникает ударный тормозной момент (рис. 12.8), амплитуда которого в 1,5-2 раза превышает номинальный, а его изменение носит апериодический характер.

Таким образом, при возникновении коротких замыканий в автономном инверторе воздействию аварийных токов, значительно превышающих номинальный, подвергаются полупроводниковые приборы инвертора. Одновременно с этим в механической части электропривода возникают ударные моменты, в 4-5 раз превышающие номинальные. При этом наиболее опасными являются случаи возникновения КЗ при средней частоте вращения ротора двигателя.

Например, для тягового привода первого класса [60] динамические нагрузки на валу тягового двигателя могут быть определены при рассмотрении кинематической схемы (рис. 12.9, а). Из структурной схемы (рис. 12.9, б) механической части привода без учета внутреннего демпфирования и при постоянной частоте вращения шестерни «>ш момент на выходном конце вала двигателя

(12.17)

где Юр = "(/Ср/Ур - собственная частота колебаний ротора двигателя; Ср - коэффициент жесткости вала двигателя; Jv - момент инерции ротора относительно вала.

Нахождение момента на валу двигателя М ш из выражения (12.17) затруднено из-за сложности получения изображения электромагнитного момента Мя (р). Поэтому для оценки динамических нагрузок можно воспользоваться частотными характеристиками механической части привода, которую можно представить колебательным звеном с амплитудно-частотной характеристикой:

(12.18)

Из выражения (12.18) следует, что все сигналы с частотами ш < <С ^2 (ор усиливаются колебательным звеном. Наибольшее усиление имеет место в околорезонансной зоне, и при естественном затухании колебаний под действием внутренних сил вязкого трения может характеризоваться величиной А (о>р) ~ 7 ч- 10. Применительно к асинхронным тяговым двигателям резонансная частота fv = шр/(2я) « 15ч-Ч- 25 Гц (например, для двигателя НБ-602 момент инерции } р = 70,5 кг-м4, коэффициент жесткости вала Ср = 10* Н-м/рад и (о„ = 119 с-1). Следовательно, для тягового двигателя, работающего с частотой < 40 Гц, динамический момент на его валу при возникновении КЗ в инверторе будет превышать электромагнитный момент. И хотя при малых частотах /\ ударный электромагнитный момент несколько меньше, чем при больших значениях частоты динамический момент на валу двигателя достигает пятикратных значений номинального момента, что может стать причиной повреждения элементов тяговой передачи (обрыва муфты, распрессовки шестерни и др.). Поэтому короткие замыкания в инверторе при их свободном протекании представляют особую опасность как для электрической, так и для механической частей тягового электропривода с асинхронными двигателями.

Зависимость тока статора і„ от времени /

Рис. 12.7. Зависимость тока статора і„ от времени /

Зависимость М,(1) при коротком замыкании

Рис. 12.8. Зависимость М,(1) при коротком замыкании

Кинематическая (а) и структурная (б) схемы асинхронного тягового

Рис. 12.9. Кинематическая (а) и структурная (б) схемы асинхронного тягового привода

Тяговые свойства ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями | Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями | Защита полупроводниковых преобразователей от перенапряжений и саерхтоков

Рекомендуемый контент: