Диапазон регулирования частоты и напряжения в режиме тяги

Вначале рассмотрим диапазон регулирования частоты. Максимальная частота /_1тах иа выходе преобразователя при заданной максимальной скорости движения От**, числе пар полюсов АТД р, диаметре колеса О_н 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 М_в, 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 f_lt являются: момент М, углы ф₂ и ф_в, токи Г₂ и 1_Х. Из перечисленных параметров иа практике относительно просто можно контролировать ток статора /₂. Следовательно, повышать напряжение при пуске от 0 до U _1Ном необходимо под контролем регулятора тока статора (РТ). В этом случае при автоматическом поддержании фиксированных значений /₂ и 1_Х 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 1_Х 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:

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 1_Х. Известно, что зависимости 1_Х (/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 1_Л. Это обеспечивает снижение нагрузки полупроводниковых приборов выпрямителя, обмоток сглаживающего реактора Е_А 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 1_Х 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 /_іті_п 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

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

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

При фиксированных значениях Е₀ и /_д согласно уравнениям (2.21)- (2.23) и (2.29) момент и ток 1_Х 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 1_Л. В случае питания АТД от инвертора напряжения АИН при 180-гра-дусном управлении токи и 1_Х по основной гармонике связаны соотношением 1_а - 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 = /*)» ^ПР^И 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

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

На рис. 2.9, б дана зависимость сое ф_х (/*), 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 1_Л в диапазоне частот /* <0,1 (что соответствует скорости электровоза ВЛ80^а-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 1_Л 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 1_а 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 Uim_ax. Преобразователь должен прежде всего позволять реализацию расчетной мощности АТД в номинальном режиме при номинальной скорости движения w_H0M. 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 0_НОМ ДО Umax Целесообразно обЄСПЄЧИТЬ работу АТД при постоянной мощности на валу двигателя: P_t = Р_гпом = = 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 Р_г = Р_2Н0М = const может быть получен двумя способами (возможна их комбинация).

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

^lmax ⁼ ^т<ш VVlmax/ZiHoM ⁼^1ном ~V^тах/^иом ⁼ ^іиом VКо» где Kv ^{= v}ma,J^vH0M - коэффициент регулирования скорости локомотива.

2. Путем увеличения частоты тока ротора /₂ при неизменном напряжении 0_г = 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 P_t - 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 P_t = const достигается при неизменном напряжении и_г = ?/_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 = М_иом1К_в. Поэтому необходимо оценить изменение перегрузочной способности двигателя для двух рассматриваемых случаев.

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

Следовательно, если режим P_t = const реализуется при неизменном напряжении U_t = 0_1яом 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 Р_г = const при неизменном напряжении 1/_г = І/_1И0М можно при условии /Срном K_v-

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

Представим максимальную скорость движения как w_max = К_р „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 К_р ном- Затем от скорости K\v_HOM до w_max режим Р_г = const может быть обеспечен при ПОСТОЯННОМ напряжении U_lmaX = U_1H0М V KJKp ном вследствие повышения частоты абсолютного скольжения ротора /₂. Отсюда следует, что при K_v >К_рн0к 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 Р_г - 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.