Устойчивость работы тяговой асинхронной машины в генераторном режиме

Механическую устойчивость работы асинхронной машины в тормозном режиме рассматриваем при движении с установившейся скоростью. Если при случайном отклонении скорости от установившегося значения v_T на Av тормозной момент изменяется таким образом, что вызывает возвращение поезда к прежней скорости торможения и_т, 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_Bр >0 удовлетворяет только одна - тормозная характеристика при f_t = = 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 U_Y - 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!df_вр < 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/df_Bp = 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-

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: U_v - U_dK_p, 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 E_r(f_d) (рис. 9.7, а) не зависит от выпрямленного напряжения ВСИ U_d. По отношению к генератору постоянного тока ВСИ представляет собой только встречно включенный источник ЭДС. Чем выше напряжение ВСИ U_d, тем меньше ток рекуперации и тормозное усилие генератора. Поэтому на электровозах ВЛ60Р и ВЛ80*> в начальной стадии рекуперации необходимо устанавливать большое значение U_d 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 U_d(l_d), поскольку выпрямленное напряжение U_d уменьшается при увеличении тока рекуперации I_d. Именно потому, что характеристики U_d(l_d) и ?_r(/_d) являются нагрузочными характеристиками как ВСИ, так и генератора постоянного тока в функции общего параметра - тока l_d, 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 I_d, 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 U_d 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{U_d) не может быть нагрузочной характеристикой асинхронного генератора. Как указывалось (см. с. 234), зависимость l_d(U_d) 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 I_d(U_d) прн фиксированных значениях f₂ и f₂ путем изменения напряжения U_d, но невозможно снять нагрузочную характеристику U_d(I_d), так как физически нельзя изменить ток l_d при /₂ const н fi = const, не изменив извне магнитный поток машины, т. е. не изменив напряжение U_d.

При использовании АИН регулировочная характеристика I_d(U_p) асинхронного генератора при f₂ = const и f₂ = const нелинейна (рис. 9.7, б): на ветви 1 по мере увеличения напряжения U_p ток I_d 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 U_d 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 I_d0. При снижении напряжения сети нагрузочная характеристика ВСИ перемещается на значение Д11 (линия 3). Движение в системе возможно только по ветви 1, поскольку f_t - 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 U_d).

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 I_dl.

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.

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 і_тр. 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.