11. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЛОКОМОТИВОВ С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

11.1. Асинхронный двигатель как объект управления

Асинхронный двигатель имеет жесткую механическую характеристику, которая не удовлетворяет условиям тяги (см. § 2.3). Поэтому основное назначение системы управления асинхронным тяговым двигателем (АТД) – сформировать мягкую механическую характеристику , где и - механический момент (на валу) и частота вращения ротора АТД. Кроме того, система управления должна обеспечивать работу двигателя в режиме электрического торможения локомотива и ограничения нагрузок энергетического оборудования.

Как известно, частота вращения ротора асинхронного двигателя

, (11.1)

где - частота питающего напряжения, подведенного к обмоткам статора, - число пар полюсов статора, - относительное скольжение.

Номинальное значение мало (например, для асинхронных тяговых двигателей тепловозов ). Поэтому для управления скоростью локомотива с электрической передачей переменного тока в широких пределах достаточно соответствующим образом изменять значение .

Гораздо сложнее управлять силой тяги локомотива, которая определяется моментом на валу двигателя. Высокая скорость обработки информации современными процессорами обосновала целесообразность разработки цифровых систем управления асинхронным приводом с использованием преобразователей, которые на сегодня являются своего рода техническим стандартом. Цифровые системы управления электроприводом базируются на векторных представлениях электромагнитных процессов, происходящих в асинхронном трехфазном двигателе.

Важным свойством трехфазных систем переменного тока является простота получения вращающегося магнитного поля. На рис. 11.1 схематически показан поперечный разрез трехфазной асинхронной машины (без обмотки ротора). Обмотка статора имеет три фазы a, b и c, соединенные по схеме «звезда»; каждая фаза представлена только одной катушкой. Оси катушек образуют между собой углы . Стороны каждой катушки уложены в два диаметрально противоположных паза. Начала и концы обмоток катушек, образующих фазы, обозначены соответственно как a, b, c и x, y, z.

При подаче на фазы обмотки статора трехфазного напряжения в них будут протекать синусоидальные токи, мгновенные значения которых (рис. 11.1а):

где и амплитудное значение тока фазы и его круговая частота; - текущее время.

Ток фазы создает синусоидальную м.д.с. с амплитудным значением , где и - конструктивный коэффициент и число витков одной фазы.

В соответствии с законом Ома для магнитной цепи м.д.с. фазы создает ее магнитный поток с амплитудой , где - сопротивление магнитной цепи, т.е.

Магнитный поток каждой фазы направлен по оси своей катушки; складываясь, они образуют результирующее магнитное поле, картина которого непрерывно изменяется.

На рис. 11.1.б представлена картина результирующего поля в момент , когда ток положителен (направлен в катушке от клеммы a к клемме x) и максимален. Из графика рис. 11.1,а следует, что в этот момент токи в фазах b и c отрицательны (направлены от y к b и z к c). По направлению токов, руководствуясь правилом правоходового винта, можно построить картину результирующего поля. В рассматриваемый момент ось поля займет горизонтальное направление (совпадая с осью катушки фазы а), образуя справа южный полюс, а слева – северный полюс.

В момент , когда положительное максимальное значение будет иметь ток , токи фаз a и c будут отрицательными (рис. 11.1 в). Рассуждая аналогичным образом можно увидеть, что результирующее поле займет новое положение, повернувшись на угол по часовой стрелке и совпадая с осью катушки фазы b. В момент , когда положительное максимальное значение будет иметь ток , магнитное поле опять займет новое положение, повернувшись по часовой стрелке еще на угол (рис. 11.1 г). Такое поле называют вращающимся.

Для момента мгновенные значения потоков численно равны

и расположены вдоль осей фаз (рис. 11.2)

Результирующий вектор потока получится сложением мгновенных значением потоков фаз с учетом их расположения на плоскости

(11.2)

Таким образом, при результирующий вектор потока обмотки статора совпадает с осью фазы a и имеет амплитуду . Очевидно, что проекции вектора на оси фаз a, b и c будут также в 1,5 раза больше, чем значения , и .

Под обобщённым вектором магнитного потока обмотки статора понимают вектор, проекции которого на оси фазных обмоток в любой момент времени равны мгновенным значениям потоков фаз , и , т.е.

(11.3)

Поместив оси фаз на комплексную плоскость можно показать, что вектор можно выразить через мгновенные значения , , и единичные векторы (рис. 11.2)

; ; (11.4)

где , - единичные векторы действительной и мнимой оси. Векторы, , и совпадают с осями фаз а, b и с, а обобщенный вектор потока обмотки статора определится как

, (11.5)

По аналогии с (11.5) обобщенные векторы напряжения и тока обмотки статора

, (11.6)

(11.7)

где , и - мгновенные значения напряжений фаз обмотки статора.

Магнитный поток катушки с числом витков создает потокосцепление . В то же время из электротехники известно, что потокосцепление катушки с индуктивностью определяется протекающим по ней током

. (11.8)

В трехфазной системе магнитный поток каждой фазы сцепляется со всеми тремя фазами, создавая основной магнитный поток , а частично рассеивается, образуя поток рассеяния . Поток рассеяния фазы определяется наличием у ее индуктивности рассеяния , а основной магнитный поток – наличием взаимных индуктивностей между обмотками фаз (рис. 11.3). С учетом расположения осей катушек на плоскости можно показать, что индуктивность основного потока фазы . Поскольку все фазы обмотки статора симметричны, значит, их полные индуктивности имеют одинаковые значения .

Тогда, используя зависимости (11.8), (11.7) и (11.3) получаем выражение для обобщенного вектора потокосцепления обмотки статора при отсутствии тока в обмотке ротора

(11.9)

Наведение тока в обмотке ротора приведет к появлению дополнительных составляющих потокосцеплений образуемых индуктивностями (рис. 11.4). Магнитные поля обмоток статора и ротора взаимно неподвижны; они вращаются с одинаковой синхронной скоростью и в одном направлении. Поэтому полный вектор потокосцепления обмотки статора можно представить в виде суммы векторов потокосцеплений, обусловленных током самой обмотки статора и током обмотки ротора , где - обобщенный вектор тока ротора, определяемый по аналогии с (11.7).

С учетом токов всех обмоток двигателя и угла смещения между обмотками обобщённые векторы потокосцеплений статора и ротора можно представить в виде:

(11.10)

или

где - вектор потокосцепления обмотки ротора, обусловленный током обмотки ротора; - вектор потокосцепления обмотки ротора, обусловленный током обмотки статора, , - векторы потокосцеплений рассеяния обмоток статора и ротора, - вектор потокосцепления основного потока.

Таким образом, обобщенные векторы потокосцеплений и определяются обобщенными векторами токов и , и связаны между собой обобщенным вектором потокосцепления основного потока . Поскольку создание электромагнитного момента асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора основано на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами обмоток, то его можно представить комбинацией векторов , и , в виде

(11.11)

где , – число фаз и пар полюсов обмотки статора; C – коэффициент, зависящий от выбора векторов и (см. таблицу 11.1); делитель соответствует преобразованию амплитуд векторов сомножителей в действующие значения /31/.

Таблица 1.11

Представление коэффициента С в уравнении электромагнитного момента

		*	1
		-1	*
				*	-1
				1	*

* – означает, что электромагнитный момент не может быть выражен произведением данных векторов

При управлении асинхронным тяговым двигателем в электрических передачах локомотивах физический смысл имеет только модуль вектора . Например, если момент выразить в соответствии с выражением (11.11) и табл. 11.1 обобщенными векторами потокосцепления и тока обмотки ротора

,

то его модуль может быть представлен как

где - синус угла между векторами и .

Используя векторы и , по II-му закону Кирхгофа можно определить обобщенный вектор напряжения на обмотке статора (рис. 11.5):

. (11.12)

11.2. Преобразователи частоты для тягового привода с асинхронными двигателями

В § 11.1 отмечалось, что для управления скоростью движения локомотива с передачей переменного тока необходимо управлять частотой питающего напряжения АТД. Из (11.1) следует, что требуемое значение частоты питающего напряжения на входе в двигатель однозначно определятся частотой вращения его ротора и значением относительного скольжения:

. (11.13)

Значение очень мало, поэтому частота должна изменяться в соответствии со скоростью движения локомотива.

Напряжение контактной сети, которая является источником энергии электровоза, либо постоянное 3000В, либо переменное 25000В с частотой 50Гц; частота напряжения синхронного генератора тепловоза также остается постоянной в пределах одной позиции контроллера. Поэтому для управления частотой , обеспечивающей изменение скорости локомотива в диапазоне , используются преобразователи частоты, назначение которых – преобразовать напряжение постоянной частоты источника энергии локомотива в напряжение управляемой переменной частоты на входе в АТД.

11.2.1 Основные типы преобразователей

Преобразователи классифицируются:

- непосредственные преобразователи частоты НПЧ;

- двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока ПЧ.

В настоящее время более распространены двухзвенные ПЧ со звеном постоянного тока. Первое звено такого преобразователя представляет собой выпрямитель (управляемый или неуправляемый) с фильтром на выходе, а второе - автономный инвертор. Второе звено ПЧ может быть выполнено как на основе автономного инвертора напряжения (АИН), так и на основе автономного инвертора тока (АИТ). Двухзвенные ПЧ позволяют получить на выходе напряжение с частотой как меньше, так и больше входной. Их недостаток – двойное преобразование энергии и увеличение за счет этого потерь.

Между выпрямителем и инвертором в ПЧ обязательно устанавливают накопитель энергии. В зависимости от вида этого накопителя – конденсатор С_ф или дроссель L_ф – инвертор работает либо в режиме источника напряжения, либо источника тока. Накопитель энергии необходим потому, что энергия постоянного тока чисто активная, а для формирования магнитных полей в двигателе нужен обмен реактивной энергией с источником питания, который и обеспечивает накопитель.

Двухзвенный ПЧ на основе инвертора тока содержит управляемый выпрямитель УВ, индуктивный фильтр и собственно АИТ (рис. 11.6 а). Управление амплитудой выпрямленного тока i_d осуществляется с помощью управляемого выпрямителя, по разности сигналов тока задания и обратной связи i_d звена постоянного тока; управление частотой f₁ выполняется ключами АИТ путем изменения частоты управляющих импульсов ключей инвертора по сигналу задания .

Регулирование параметров выходного напряжения ПЧ на основе инвертора напряжения чаще всего осуществляться собственно АИН с импульсной модуляцией (рис. 11.6 б). Из импульсных методов регулирования напряжения наибольшее распространение получила широтно-импульсная модуляция (ШИМ) (см. § 1.8). . При использовании АИН с ШИМ параметры выходного напряжения u₁ и f₁ регулируются с помощью коммутации ключей АИН по сигналам заданий и _. В настоящее время, благодаря развитию силовой электроники и, прежде всего, появлению силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT –транзисторов), этот тип ПЧ стал наиболее распространенным. Однако и в ПЧ на основе инвертора напряжения для управления амплитудой выходного напряжения может использоваться управляемый выпрямитель с системой управления (СУВ).

На рис. 11.7.а представлена схема ПЧ на основе инвертора напряжения, предназначенного для питания асинхронного двигателя. Преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя, выполненного на диодах VD7-VD12, сглаживающего фильтра С_ф , блока тормозного резистора R_б и автономного инвертора, собранного на IGBT-транзисторах V1 - V6 и диодах VD1-VD6. Диоды VD1 - VD6 служат для пропускания тока при коммутации транзисторов (см. § 11.3.1). Торможение двигателя обеспечивается переводом АИН в режим управляемого выпрямителя напряжения: при превышении напряжением на конденсаторе фильтра заданного значения транзистор V7 включается и энергия, передаваемая от электрической машины, рассеивается на тормозном резисторе R_{б .}Индуктивный фильтр необходим для надежной работы выпрямителя. За счет применения ШИМ осуществляется регулирование амплитуды напряжения на выходе преобразователя и приближение его формы к синусоидальной (рис. 11.7.б).

На вход ПЧ подается трехфазное синусоидальное напряжение с постоянными значениями частоты f и амплитуды U. Трехфазный мостовой выпрямитель 1 преобразует напряжение в постоянное пульсирующее . Емкостной фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения, в результате чего напряжение становится практически постоянным . Постоянное напряжение поступает на вход инвертора. В инверторе с помощью транзисторных ключей и ШИМ осуществляется преобразование постоянного напряжения U_d в трехфазное импульсное напряжение u_И изменяемой частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки модулируется по синусоидальному закону. Поэтому напряжение на выходе АИН имеет форму импульсов положительной и отрицательной полярности с нулевыми паузами. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения на обмотках двигателя. При высокой частоте ШИМ в обмотках двигателя из-за их высокой индуктивности протекают практически синусоидальные токи .

В НПЧ – преобразователях выходное напряжение формируется из участков синусоид напряжения сети; при этом двигатель в процессе работы преобразователя через открытые ключи в каждый момент времени оказывается включенным непосредственно на источник. Применение транзисторных ключей позволяет регулировать выходную частоту в области ниже и выше частоты сети. Однако сам принцип работы НПЧ требует использования по крайней мере тройного количества ключевых элементов по сравнению с ПЧ со звеном постоянного тока.

Преимуществом НПЧ является однократное преобразование энергии, позволяющее получить более высокий к.п.д. преобразователя, а недостатком - низкий коэффициент мощности, вызванный непрерывным регулированием угла управления ключами. Этот недостаток преобразователя сводит на нет преимущества, обусловленные однократным преобразованием энергии. Поэтому такие преобразователи не нашли распространения в энергетических цепях локомотивов.