Перевод асинхронной машины в генераторный режим

Асинхронная машина способна перейти в генераторный режим при выполнении двух условий: 1) частота вращения ротора /_вр должна быть выше частоты вращающегося магнитного поля статора /₂, при этом абсолютное скольжение ротора /₂ ~ /і - /_вр - отрицательная величина; 2) должно быть обеспечено поступление в обмотки статора реактивной составляющей тока, необходимой для создания магнитного потока.

Первое условие обычно выполняется с помощью автоматического регулятора частоты, который измеряет частоту вращения ротора /_вр и осуществляет регулирование частоты статора в соотношении /₂ = - /вр ± /,уст. причем в режиме тяги регулятор суммирует заданную уставку абсолютного скольжения /_2уст с частотой /_вр. При переводе машины из тягового в тормозной режим регулятор частоты /₂ необходимо перевести из режима суммирования значений /_вр и /_2уСТ в режим вычитания.

Выполнение второго условия зависит от конкретного варианта питающей сети и схемы преобразователя.

В дальнейшем будем считать, что перевод асинхронной машины в генераторный режим производится только при наличии напряжения в контактной сети, поскольку по требованиям безопасности в случае исчезновения питающего напряжения машинист должен остановить поезд пневматическим тормозом. Поэтому не рассматриваем способы реализации реостатного торможения асинхронной машины при отсутст

вии питающего напряжения. Электроснабжение электрифицированных железных дорог имеет высокую степень резервирования, и перерывы питания наблюдаются весьма редко. В этой связи следует отметить, что на электровозах Е-120 производства ФРГ система независимого от сетевого напряжения резисторного торможения была демонтирована, так как опыт эксплуатации показал, что случаи перерыва питания крайне редки и достаточно иметь на электровозе только систему рекуперативного торможения. Вначале рассмотрим процесс перевода тяговой асинхронной машины в генераторный режим при использовании в преобразователе автономного инвертора тока. При этом важно иметь в виду, что если заданное абсолютное скольжение /,у_СТ уменьшить до нуля, то на выходе регулятора частоты получим = /_вр, т. е. асинхронная машина будет работать в режиме синхронной скорости. Если при этом на статор подано напряжение, то по его обмоткам протекает только намагничивающий ток, а момент машины равен нулю, т. е. условие = 0 соответствует режиму выбега локомотива.

Согласно принципу работы АИТ направление входного тока 1_а остается неизменным в двигательном и генераторном режимах асинхронной машины. Поэтому перед торможением следует вначале с помощью регулятора частоты перевести машину в режим синхронной скорости при /_густ = 0. При этом на инвертор должно быть подано напряжение и_л, полярность которого является для инвертора прямой, т. е. соответствующей тяговому режиму асинхронной машины. Напряжение и_а при этом незначительно, поскольку ток и должен быть равен намагничивающему току, т. е. составлять примерно 30% номинального тока статора. При таких условиях асинхронная машина находится в режиме холостого хода и имеет магнитный поток, близкий к номинальному.

Перевод машины в генераторный режим заканчивается увеличением абсолютного скольжения до заданного значения /_1уст с одновременным изменением полярности напряжения и_й на обратную (соответствующую генераторному режиму). Напряжение должно быть затем увеличено для достижения заданного тока 1_Л.

Последняя операция, т. е. изменение полярности напряжения 1!^ и регулирование его значения, наиболее просто может быть выполнена при питании АИТ через управляемый выпрямитель от сети переменного тока. В этом случае выпрямитель УВ (рис. 9.9, а) путем изменения угла отпирания тиристоров переводится из режима выпрямления в режим ведомого сетью инвертора ВСИ.

При питании от сети постоянного тока для изменения полярности напряжения и_л на входе инвертора требуются более сложные схемотехнические решения. В качестве примера на рис. 9.9, б представлена схема, реализованная фирмой Siemens на вагонах метрополитена. В тяговом режиме контактор К замкнут, напряжение и_л и ток 1_й регулируются с помощью тиристорного импульсного прерывателя ИП. При этом полярность напряжения на входе АИТ прямая (точка 1 под-

Рис. 9.9. Схемы преобразователей на основе ЛИТ для режимов тяги н торможения

ключена к «плюсу» С/_а). Во время закрытого состояния ключа И51 ток /_л замыкается через диод Уй2.

При переводе ЭПС в тормозной режим вначале осуществляется режим холостого хода асинхронной машины прн /,у_СТ = 0 и ток 1_й устанавливается на уровне номинального тока намагничивания. Затем выключается контактор К. В результате, как показано иа рис. 9.9, в, полярность напряжения на входе АИТ становится обратной, поскольку к «плюсу» питающего источника через диод Уй1 подключена точка 2. Регулирование напряжения и& и тока 1_Л производится с помощью ключа УЭ1, который периодически соединяет накоротко точки 1 и 2. Диод Уй2 при этом исключает режим короткого замыкания питающего источника.

Перейдем к рассмотрению процесса перевода асинхронной машины в генераторный режим прн использовании преобразователя с автономным инвертором напряжения, в цепях обратного тока которого используются диоды. Согласно принципу работы такого инвертора при переводе асинхронной машины из двигательного в генераторный режим полярность напряжения и& на входе остается неизменной, а направление среднего (выпрямленного) тока изменяется на противоположное (рис. 9.10). Поэтому наиболее просто перевести асинхронную машину из двигательного в генераторный режим можно в том случае, если питающий источник обладает двусторонней проводимостью.

Таким свойством обладает сеть постоянного тока при ее непосредственном подключении к входу АИН (рис. 9.11, а). Считаем, что в инверторе напряжение регулируется внутренними средствами (методом ШИМ). В этом случае перевод асинхронной машины в генераторный режим осуществляется весьма просто и могут быть использованы два способа: без отключения инвертора от питающей сети и с отключением. В первом случае вводимую в регулятор частоты уставку скольжения вначале уменьшают до нуля и асинхронная машина переходит в режим холостого хода, потребляя намагничивающий ток, а ток 1_а практически становится равным нулю (рис. 9.10, б). Затем путем переключения регулятора в режим вычитания частот и повышения уставки абсолютного скольжения /_1уст до требуемого значения переводят асинхронную машину в генераторный режим.

Рис. 9.10. Принципиальная схема ЛИН и диаграммы его напряжения и токов в режимах тяги (а), холостого хода (б) и торможения (в)

Рис. 9.11. Схемы преобразователей на основе АИН для режимов тягн и торможения

Во втором случае вследствие прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора отключают асинхронную машину от питающей сети. Локомотив при этом движется в режиме выбега, магнитный поток машины равен нулю. Перед вводом машины в генераторный режим переключают регулятор в режим вычитания частот, вводят в него заданное абсолютное скольжение /_2уст и включают цепи, подающие на тиристоры сигналы управления. Напряжение на выходе инвертора постепенно повышают. Реактивная составляющая тока, создающая магнитный поток в асинхронной машине, поступает через тиристоры инвертора, которые подключены по отношению к полярности питающего напряжения сети в прямом направлении.

Первый из рассмотренных способов целесообразно применять в тех случаях, когда требуется быстро перевести машину из тягового в тормозной режим, второй способ - когда после прекращения тягового режима локомотив довольно продолжительное время движется в режиме выбега.

На линиях, электрифицированных по системе переменного тока. АИН получают питание через однофазный выпрямитель. Условие двусторонней проводимости питающего источника выполняется только в том случае, если встречно-параллельно выпрямителю В включен ведомый сетью инвертор ВСИ (рис. 9.11, в). Отметим, что четырехквадрант-ный преобразователь, используемый на электровозах Е-120 производства ФРГ и на советско-финском электровозе ВЛ86* (см. главу 4), по существу состоит из параллельно соединенных диодного выпрямителя и тиристорного сетевого инвертора с принудительной коммутацией. При условии двусторонней проводимости выпрямительного звена перевод асинхронной машины из двигательного в генераторный режим может быть произведен теми же двумя способами, которые рассмотрены при питании АИН от сети постоянного тока.

Однако выполнение выпрямителя с двусторонней проводимостью увеличивает вдвое мощность выпрямительного звена преобразователя, заметно усложняя электрообрудование и увеличивая его массу и габаритные размеры. Поэтому более рациональной является схема, представленная на рис. 9.11, г. Здесь в тяговом и тормозном режимах используется одна и та же тиристорная выпрямительная установка, которая в тяговом режиме работает как управляемый выпрямитель, а в тормозном режиме - как ведомый сетью инвертор. При окончании тягового режима путем прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры выпрямителя снижают напряжение и магнитный поток машины до нуля. Переводят двухпозиционный тормозной переключатель ТП в режим торможения, регулятор частоты - в режим вычитания частот и устанавливают требуемое значение абсолютного скольжения /_ауст.

Затем по каналам управления тиристорами переводят выпрямительную установку в режим ведомого сетью инвертора ВСИ. Для возбуждения магнитного потока в обмотки статора асинхронного генератора должна поступать реактивная составляющая фазного тока через тиристоры АИН. Поскольку полярность выпрямленного напряжения ВСИ является обратной по отношению к тиристорам АИН, ВСИ не может обеспечить первоначальное возбуждение асинхронного генератора после выбега. Поэтому включением контактора К иа АИН следует кратковременно подать прямое для тиристоров АИН напряжение от маломощного вспомогательного диодного выпрямителя ВВ. После возбуждения асинхронного генератора контактор К выключают. Реактивная составляющая тока машины продолжает поступать через тиристоры АИН от обратных диодов других фаз, так как в АИН происходит обмен реактивной энергией между фазами асинхронной машины. Так, на интервале от фі до 180° ток в тиристор VS1 и далее в обмотку фазы А поступает или от фазы В через диод VD3, или от фазы С через диод VD5 (см. рис. 9.10).

На последней стадии перевода асинхронной машины в генераторный режим постепенно повышают выпрямленное напряжение ВСИ и соответственно ток U до требуемых значений.

Осциллограмма процесса входа тягового двигателя НБ-602 в режим рекуперативного торможения при возбуждении от вспомогательного выпрямителя В В дана на рис. 9.12, а. Из осциллограммы следует, что вход в режим рекуперативного торможения завершается примерно за 0,3 с после включения выпрямителя ВВ и за это время происходит плавное возрастание напряжения и тока генератора ы_ф и і'_ф.

Рис. 9.12. Осциллограммы процесса входа АТД в режим рекуперативного торможения (а) и кривой фазного тока двигателя при подключении к входу инвертора источника переменного напряжения (б)

При этом ведомый сетью инвертор из режима прерывистых токов плавно переходит в режим непрерывного тока, о чем свидетельствуют кривые напряжения ивси и тока вторичной обмотки трансформатора «_тр.

Согласно [471 при питании от АИН, иа входе которого установлен индуктивно-емкостный фильтр Сф, имеется область частот, в которой машина, работающая в тяговом режиме, самовозбуждается и неконтролируемо переходит в генераторный режим. Такой вывод сделан в предположении, что индуктивность намагничивания АТД имеет возможность непосредственно (без преобразования частоты в АИН) обмениваться реактивной энергией с фильтровым конденсатором С_ф. Значения частоты начала /_нс и конца /_кс области самовозбуждения определяются выражениями [47]:

(9.23)

причем Lt = Lu + L₀i; L_K -- L„i + L02, где L_al и LO2 - индуктивности рассеяния соответственно обмотки статора и ротора.

Для проверки возможности неконтролируемого перехода АТД в генераторный режим были выполнены экспериментальные исследования с двигателем мощностью 15 кВт при питании его от АИН, причем параметры двигателя и фильтрового дросселя составляли /,,= 16,5 мГн. L„ = 1,2 мГн, L_d = 2,2 мГн (461. Емкость конденсатора Сф в экспериментах изменяли в пределах от 5000 до 7000 мкФ, причем согласно уравнениям (9.23) получаем: при С_ф = 5000 мкФ /_нс = 49 Гц, /_кс --= 69 Гц; при С_ф - 7000 мкФ /_нс = 41 Гц, /_кс = 58 Гц. При испытаниях в зоне частот, перекрывавших область 40-70 Гц, явления неконтролируемого перехода двигателя в генераторный режим отсутствовали.

Неточность вывода о неконтролируемом переходе АТД в генераторный режим [471 объясняется тем, что не учтено преобразование частот, осуществляемое в АИН. В главе 8 было показано, что инвертор, работающий на частоте Д, преобразует переменную составляющую напряжения (или тока), присутствующую на входе АИН (т. е. на фильтровом конденсаторе С_ф) н имеющую частоту /_п, в ряд составляющих с комбинационными частотами, причем две основные из них имеют частоты: нижнюю комбинационную (боковую) /_б„ - |/_х - /_п| и верхнюю боковую /бв = /1 + fa- Относительно составляющих магнитного потока статора с комбинационными частотами АТД находится в режиме КЗ. Поэтому благодаря преобразованию частої в АИН индуктивность намагничивания двигателя L_ц не может непосредственно обмениваться реактивной энергией с фильтровым конденсатором Сф.

В экспериментах от постороннего источника на конденсатор С_ф подавали напряжение и„ с частотой /„ = 50 Гц, которая согласно урав

нениям (9.23) принадлежит области неконтролируемого перехода двигателя в генераторный режим. Из осциллограммы процесса при работе двигателя на частоте /, = 55 Гц (рис. 9.12, б) следует, что при подаче на вход АИН напряжения от постороннего источника с частотой 50 Гц в фазном токе /_ф четко проявляется составляющая с нижней боковой частотой 5 Гц и кривая тока (_ф нестабильна по полупериодам. Асинхронная машина при этом устойчиво работает в тяговом ражиме.

При отключении источника и„ нестабильность кривой тока 1_ф мгновенно ликвидируется, двигатель продолжает работать в тяговом режиме.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что и в случае подачи на фильтровый конденсатор переменного напряжения с частотой

принадлежащей согласно уравнениям (9.23) области самовозбуждения, неконтролируемый переход АТД в генераторный режим ие имеет места. Следовательно, при питании от АИН входной индуктивно-емкостный фильтр не создает условий для самовозбуждения и неконтролируемого перехода двигателя в тормозной режим.

Перевод асинхронной машины в генераторный режим возможен только при изменении знака абсолютного скольжения в регуляторе частоты. Результаты данных иследований также подтвердили, что фильтровый конденсатор С_ф, установленный на входе АИН, благодаря преобразованию частот в инверторе не способен осуществить самовозбуждение асинхронной машины при переводе ее в режим электрического торможения без подачи напряжения в прямом для основных тиристоров направлении.

При реализации электрического торможения тяговой асинхронной машины определенные преимущества дает автономный инвертор напряжения, в цепях обратного тока которого вместо диодов используются тиристоры.