Режимы работы ЭПС

Показатели режима работы ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями определяются законом управления тяговыми двигателями. Чтобы установить наиболее эффективные законы регулирования режимов работы АТД, необходимо рассмотреть зависимость вращающего момента М, Н-м, от его параметров:

где р, т,-соответственно число пар полюсов н число фаз обмотки статора; з- относительное скольжение ротора: з = (ш^ - ш,)/о)₁ (здесь <о₁ = 2я Л//>

и И|= 2л/_вр/р - соответственно угловая скорость поля статора и угловая скорость ротора, рад/с; Л и /_вр - рл,/60 - соответственно частота тока статора и частота вращения ротора, Гц); С! яг 1 - постоянная статора: Г\ и - соответственно активное и индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом; г'_г и х'_г - приведенные к параметрам цепи статора активное и индуктивное сопротивления цепи ротора, Ом; и_х - фазное напряжение двигателя, В.

Все параметры принимают в соответствии со схемой замещения АТД (рнс. 2.1).

В обозначения на схеме замещения АТД входят величины: /] - - /і/Лном - относительная частота тока статора (здесь /_1НОм- номинальная частота тока статора); /5 - /₂//і_Иом - - относи тельная частота тока ротора (параметр абсолютного скольжения); Хр - индуктивное сопротивление цепи намагничивания.

Пренебрегая падением напряжения в обмотке статора, можно принять |(/,| « |?,|, где ?, - ЭДС обмотки фазы статора.

Считая, что в мало, а я* « О и ^ « О, можно записать

где С = 9,81 рт₁/(2пг'₁).

Чтобы реализовать экономичную работу АТД во всех режимах, следует сохранить минимальную мощность потерь в двигателе:

^1п1п⁼(Д^^> ст АРм+АР1)ш1п ^{= СОП8}1> (2-3)

где &Р_С, ДР_М - соответственно магнитные н механические потерн в двигателе.

2я

Вт, которые мало зависят от тока ротора Г_х\ Р_%т=М (со, - ю,) = М-/* -

Р

потери в роторе, Вт (здесь - частота тока, или абсолютное скольжение ротора, Гц: /* = /, -/_вр).

Потери в роторе

(2.4)

Чтобы сохранить условие ДР_т|_П = const, необходимо иметь абсолютное скольжение /₂ минимальным и постоянным во всех режимах: ft - (/l f в p)m I п = const. На этом основании академик М. П. Ко стенко в 1925 г. сформулировал оптимальный закон частотного управления АТД:

где v и ч_ном - соответственно текущее н номинальное значение скорости движения; F и F_H0M -текущее и номинальное значение силы тиги.

Значения о_ном и F„_0M соответствуют номинальному фазному напряжению и номинальной частоте тока статора /_1Ном-

На рис. 2.2 приведены зависимости, соответствующие двум наиболее характерным законам управления работой ЭПС (1>„_ом - скорость выхода на номинальную характеристику): F - const и Р = = const.

Рассмотрим режим пуска при F - const (или М = const). Вращающий момент АТД определяется взаимодействием магнитного потока статора Ф и током ротора /?, приведенного к цепи статора. При Ф -= const условием Af = const является неизменность тока Г₂. Так как ток статора можно записать в виде 1_Х = /_й + Г₂, где /_й - ток намагничивания (холостого хода) двигателя, то условие М = const равноценно условию Ii = const. Следовательно, ток статора в процессе пуска должен быть неизменным, если необходимо обеспечить условие F/F„ом = 1. При этом на основании выражения (2.5) получим t/i/t/іном = v/v_Hou. Значит, чтобы сохранить /, = const в процессе пуска и обеспечить оптимальные показатели работы АТД, следует повышать напряжение, приложенное к обмотке статора, пропорционально скорости движения электровоза (до значения t), = U_iH0M).

С выходом иа номинальную характеристику АТД (при v > ц_ном) следует далее соблюдать режим постоянства мощности двигателя Р = mnst

Откуда UJU1НОМ -

В режиме постоянства скорости движения (о = const) необходимо соблюдать условие постоянства частоты питающего АТД напряжения, т. е. f₁/f₁ ном = 1. При этом из выражения (2.6) получим 1У(/_1Ном== = VF/F„ом. Следовательно, для обеспечения постоянства скорости движения фазное напряжение АТД необходимо менять пропорционально корню квадратному из силы тяги.

Если фазное напряжение АТД сохраняется постоянным (U₁IU₁ „_ом = 1), то иа основании выражения (2.6) получим i^/o² HOM= =FhoJF. Таким образом, тяговая характеристика АТД F (v) представляет собой квадратичную гиперболу, как и у коллекторной машины последовательного возбуждения с ненасыщенной магнитной системой. При постоянстве фазного напряжения, изменяя частоту обратно пропорционально силе тяги, получим мягкую характеристику АТД при минимуме потерь. Характеристики АТД для рассмотренных выше режимов приведены иа рис. 2.3.

Выбор оптимальных законов регулирования ЭПС с АТД нельзя рассматривать в отрыве от преобразовательной установки, питающей АТД.

На рис. 2.4 приведены зависимости, соответствующие наиболее характерным законам регулирования силы тяги F (и). Так как скорость движения пропорциональна частоте питающего напряжения, иа рис. 2.4 дана вторая ось абсцисс, по которой отложена частота f_x тока статора. В диапазоне изменения скорости 0 - о_н014 (режим пуска) целесообразно напряжение регулировать пропорционально скорости движения. При этом магнитный поток АТД сохраняется постоянным

Рис. 2.3. Тяговые характеристики ЛТД при различных законах регулирования режимов его работы

Рис. 2.4. Зависимости, соответствующие наиболее характерным законам регулирования силы тяги электровоза

(Ф - const), а ЭДС двигателя Е_х = Cf_xФ растет пропорционально скорости движения V или частоте /_г. Вращающий момент и сила тяги за время пуска остаются постоянными.

По завершении пуска (о = о_ном или f_x = /_1Н0М) переходят на режим работы при постоянной мощности Р = Fv = const. При этом условии сила тяги изменяется обратно пропорционально скорости движения, т. е. F ¦= F (I/o). Если менять значение питающего напряжения по закону U (I/o), то по закону /(І//,) будет меняться и его частота. Поэтому для обеспечения условия Р = const питающее напряжение следует увеличить в Vo раз.

Кривая фазного напряжения при Р = const на рис. 2.4 показана штриховой линией. Такой способ регулирования фазного напряжения для практических целей использовать не рекомендуется по следующим причинам. Тяговый двигатель должен быть изготовлен на повышенное напряжение (по сравнению с U_x = const), что потребует увеличения толщины изоляции обмоток и приведет к ухудшению массо-габаритных показателей. Кроме того, потребная мощность преобразователя будет значительно выше пусковой и не сможет быть реализована при максимальной скорости движения Ощах ^п0 условиям ограничения силы тяги но сцеплению колес с рельсами. Следовательно, исходя из иаилучшего использования преобразователя целесообразно в режиме Р - const иметь неизменное фазное напряжение t/j = const. Однако при Р = - const и U\ - const сила тяги согласно выражению (2.6) изменяется обратно пропорционально квадрату скорости (по гиперболе I/o*). Поэтому сила тяги окажется меньше определяемой постоянством мощности АТД.

Следовательно, в режиме Р - const при U_t = const иФ = const нельзя обеспечить изменение силы тяги обратно пропорционально ско рости движения. Поэтому приходится отказаться от условия Ф =-= const и регулировать поток в диапазоне скоростей движения от Vном ДО Отах путем изменения тока АТД так, чтобы выдержать условие Р = const. При этом необходимо изменять магнитный поток по гиперболе 1/Д, так как U₁ = СДФ. По аналогии с коллекторными тяговыми двигателями этот режим называют режимом регулирования возбуждения. Если же выбрать мощность преобразователя так, чтобы при условии 1Д = const он обеспечивал реализацию заданного значения /•’щах при t>_max, то, используя за кои регулирования F = F (I/o), можно реализовать силу тяги больше, чем ограниченную условием Р =-- const. Эта важная особенность для электровозов в эксплуатации поясняется рис. 2.4 (ординаты заштрихованной площади).