Механическую устойчивость работы асинхронной машины в тормозном режиме рассматриваем при движении с установившейся скоростью. Если при случайном отклонении скорости от установившегося значения vT на Av тормозной момент изменяется таким образом, что вызывает возвращение поезда к прежней скорости торможения ит, то условие механической устойчивости выполняется. Это означает, что для механически устойчивой тормозной характеристики свойственно возрастание тормозного момента при увеличении скорости движения (или частоты вращения /вр генератора) и уменьшение тормозного момента при снижении /вр. Следовательно, тормозная характеристика устойчива в том случае, если производная момента по частоте вращения положительна (dM/d/Bp >0).

В параграфе 9.2 были рассмотрены тормозные характеристики асинхронного генератора для различных законов регулирования частоты и напряжения. Тормозные характеристики представлены на рис. 9.2. Из всех рассмотренных тормозных характеристик асинхронного генератора условию механической устойчивости dMldf >0 удовлетворяет только одна - тормозная характеристика при ft = = const и І/, = const. Как уже отмечалось ранее, указанная тормозная характеристика отличается высокой жесткостью. Частота вращения /Вр может возрастать при увеличении тормозного момента лишь на значение абсолютного скольжения /2, которое для тяговой асинхронной машины незначительно (1-2 Гц) и соответствует изменению скорости локомотива на 1-2 км/ч. Поэтому режим работы асинхронного генератора при /, = const и Ui - const весьма благоприятен для торможения поезда на затяжных спусках с неизменной скоростью.

В режиме /2 - const и Е да UY - const тормозной момент при увеличении скорости снижается в квадратичной зависимости, а в режиме Р2 - const тормозной момент уменьшается в первой степени от скорости локомотива (см. с. 229). Поэтому для указанных режимов регулирования производная тормозного момента по частоте вращения dM!dfвр < 0, тормозные характеристики не обладают механической устойчивостью, и они не могут быть использованы для торможения поезда с заданной скоростью. Поскольку для рассматриваемых характеристик свойственно возрастание тормозного момента при уменьшении частоты вращения, их целесообразно использовать в зоне высоких скоростей для снижения скорости движения поезда.

Для характеристики М -- const производная тормозного момента по частоте вращения dM/dfBp = 0 и условие механической устойчивости также не выполняется. Поскольку независимо от скорости локомотива тормозной момент остается постоянным, режим работы асинхронного генератора при М --- const целесообразно использовать при остановочном торможении поезда с примерно постоянным замедлением.

Электрическую устойчивость работы тяговой асинхронной машины следует рассматривать при ее совместной работе с преобразователем. Важно отметить, что электрическая устойчивость режима торможения тяговой асинхронной машины при совместной работе с преобразователем частоты доказана практически на многочисленных образцах ЭПС. Полный анализ условий электрической устойчивости рассматриваемой системы достаточно сложен; здесь ограничимся рассмотрением физической сущности процессов. В качестве примера рассмотрим работу асинхронного генератора совместно с преобразователем частоты применительно к электровозу переменного тока в режиме рекуперативного торможения. При этом выпрямительная установка работает как ведомый сетью инвертор (ВСИ). Считаем, что преобразователь выполнен на основе автономного инвертора напряжения.

Условия электрической устойчивости системы «асинхронный генератор - АИН - ВСИ» рассматриваем при основном виде возмущения, т. е. при скачкообразном изменении напряжения в контактной сети. Скорость локомотива и частоту вращения вала генератора/вр из-за большой инерционности поезда за время переходного процесса принимаем неизменными. Если асинхронный генератор работает с заданным абсолютным скольжением /2 - const, то частота статора /, = = (/вр - /2) также постоянна. Если же торможение осуществляется в режиме/j --¦= const, то, поскольку /вр = const, абсолютное скольжение /2 = (/Вр - /,) также является постоянной величиной. Таким образом, в любом случае необходимо рассматривать характеристики асинхронного генератора при условиях/, = const и/2 = const. Поскольку в качестве возмущения рассматривается изменение питающего напряжения и в преобразователе используется АИН, то целесообразно ис-

Поясняющие диаграммы к анализу переходного процесса при снижении напряжения сети для генератора постоянного тока (а) и для асинхронного генератора (б)

Рис. 9.7. Поясняющие диаграммы к анализу переходного процесса при снижении напряжения сети для генератора постоянного тока (а) и для асинхронного генератора (б)

пользовать регулировочную характеристику асинхронного генератора в функции выпрямленного напряжения: Uv - UdKp, которая была рассмотрена в параграфе 9.3.

Перед анализом системы «асинхронный генератор - АИН - ВСИ» уместно напомнить условия электрической устойчивости традиционной системы «генератор постоянного тока с независимым возбуждением - ВСИ», используемой на серийных электровозах ВЛ60Р и ВЛ80*>. Для генератора постоянного тока его нагрузочная характеристика Er(fd) (рис. 9.7, а) не зависит от выпрямленного напряжения ВСИ Ud. По отношению к генератору постоянного тока ВСИ представляет собой только встречно включенный источник ЭДС. Чем выше напряжение ВСИ Ud, тем меньше ток рекуперации и тормозное усилие генератора. Поэтому на электровозах ВЛ60Р и ВЛ80*> в начальной стадии рекуперации необходимо устанавливать большое значение Ud и затем постепенно его уменьшать для плавного наложения тормозного усилия.

На электровозах ВЛ60*> н ВЛ80р с целью повышения коэффициента мощности ВСИ снабжен автоматическим регулятором, поддерживающим постоянный угол запирания (режим 6 --- const). В таком режиме работы ВСИ, как известно, имеет ниспадающую нагрузочную характеристику Ud(ld), поскольку выпрямленное напряжение Ud уменьшается при увеличении тока рекуперации Id. Именно потому, что характеристики Ud(ld) и ?r(/d) являются нагрузочными характеристиками как ВСИ, так и генератора постоянного тока в функции общего параметра - тока ld, совместное рассмотрение этих характеристик позволяет анализировать условия электрической устойчивости данной системы.

Известно, что для системы «генератор постоянного тока - ВСИ» необходимым условием электрической устойчивости является выполнение неравенства dt/rf/d/d >d?r/d/d [451. Как следует из рис. 9.7, а, при работе ВСИ в режиме 6 = const это условие не выполняется, поэтому

для достижения электрической устойчивости на электровозах ВЛ60Р и ВЛ80р используют стабилизирующие резисторы в цепи тока Id, в которых теряется до 20% рекуперируемой энергии.

Для асинхронного генератора, передающего энергию через АИН в звено постоянного тока, ВСИ является не только встречно включенным источником ЭДС. Принципиально важно, что при фиксированной частоте статора /, напряжение ВСИ в звене постоянного тока Ud однозначно определяет магнитный поток асинхронного генератора (Ф ss

- tv/i).

Было показано, что переходный процесс следует рассматривать для режима = const и /t = const. Прн прочих равных условиях нагрузку асинхронной машины (в двигательном и генераторном режимах) однозначно характеризует абсолютное скольжение f2. Поскольку в рассматриваемом режиме /а = const, зависимость !d{Ud) не может быть нагрузочной характеристикой асинхронного генератора. Как указывалось (см. с. 234), зависимость ld(Ud) представляет собой регулировочную характеристику, которая показывает, как изменяется ток U, поступающий от асинхронного генератора, если регулировать напряжение в звене постоянного тока (т. е. выпрямленное напряжение ВСИ). Можно снять экспериментально регулировочную характеристику Id(Ud) прн фиксированных значениях f2 и f2 путем изменения напряжения Ud, но невозможно снять нагрузочную характеристику Ud(Id), так как физически нельзя изменить ток ld при /2 const н fi = const, не изменив извне магнитный поток машины, т. е. не изменив напряжение Ud.

При использовании АИН регулировочная характеристика Id(Up) асинхронного генератора при f2 = const и f2 = const нелинейна (рис. 9.7, б): на ветви 1 по мере увеличения напряжения Up ток Id возрастает, а на ветви 2 - уменьшается. Ветвь 2 соответствует глубокому насыщению магнитной цепи машины и из рассмотрения исключается.

Ветвь 1 показывает, что на электровозе с асинхронными двигателями в начальной стадии рекуперации с целью получения малого начального тока рекуперации и тормозного момента напряжение ВСИ Ud следует устанавливать минимальным и затем постепенно его увеличивать. Этим электровоз с асинхронными двигателями принципиально отличается от электровоза с двигателями постоянного тока.

Рассмотрим характер переходного процесса при скачкообразном снижении напряжения сети. Пусть первоначально система «асинхронный генератор - АИН - ВСИ» работала в точке А и ток рекуперации был равен Id0. При снижении напряжения сети нагрузочная характеристика ВСИ перемещается на значение Д11 (линия 3). Движение в системе возможно только по ветви 1, поскольку ft - const и f2 = = const. Движение к точке С не может иметь места, так как в этом случае должно было бы произойти увеличение магнитного потока асинхронной машины, а это противоречит причине переходного процесса (уменьшение напряжения Ud).

Снижение напряжения ЛU вызывает уменьшение магнитного потока асинхронного генератора, и движение в системе может происходить только к точке В, в результате чего ток уменьшается до значения Idl.

Важно отметить, что рассматриваемая система электрически устойчива независимо от наклона нагрузочной характеристики ВСИ, в том числе и в режиме 6 = const, поэтому не требуется включать в цепь силового тока стабилизирующие резисторы. Следовательно, на ЭПС с АТД возврат в сеть переменного тока энергии рекуперации может быть осуществлен более эОДективно, чем на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями.

Осциллограммы токов и напряжений при рекуперативном торможении тягового двигателя НБ-602 в стационарном режиме (а.) и в переходном режиме при снижении напряжения сети (б)

Рис. 9.8. Осциллограммы токов и напряжений при рекуперативном торможении тягового двигателя НБ-602 в стационарном режиме (а.) и в переходном режиме при снижении напряжения сети (б)

Электрическая устойчивость системы «асинхронный генератор - АИН - ВСИ» подтверждена экспериментально при рекуперативном торможении тягового двигателя НБ-602 с возвратом энергии в однофазную сеть частотой 50 Гц. При испытаниях ВСИ был оборудован автоматическим регулятором постоянного угла запирания и работал в режиме 6 - 25° без стабилизирующих резисторов. На рис. 9.8, а зафиксирован стационарный режим при частоте Їі - 70 Гц и мощности на валу 900 кВт, а на рис. 9.8, б - переходный процесс при частоте /х - 40 Гц и скачкообразном снижении напряжения сети иа 15%.

Нестабильность по полупериодам кривой фазного тока асинхронной машины іф, как указывалось в параграфе 5.2, объясняется составляющими тока с комбинационными частотами, причем основные из них имеют частоты (100 - /2) Гц и (100 + Гц. Как следует из осциллограмм рис. 9.8, нестабильность кривой тока іф не отражается на устойчивости режима рекуперативного торможения АТД. Об устойчивости системы «асинхронный генератор - АИН - ВСИ» свидетельствует стабильность кривых напряжения ведомого сетью инвертора ивси н тока вторичной обмотки трансформатора ітр. В случае скачкообразного снижения напряжения сети на 15%, как следует из осциллограммы рнс. 9.8, б, угол запирания ВСИ достигает своего заданного значения 25° и переходный процесс заканчивается по истечении двух периодов после момента снижения напряжения.

Расчет режимов реостатного, реостатно-рекуперативного и рекуперативного торможения | Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями | Перевод асинхронной машины в генераторный режим

Рекомендуемый контент: