11.4.1. Принцип широтно-импульсной модуляции однофазного синусоидального напряжения.

На рис. 11.12.а показана принципиальная схема однофазного инвертора, работающего на активно-индуктивную нагрузку r₁-L₁ /31/. Инвертор включен на источник постоянного напряжения . Для управления ключами инвертора используется генератора пилообразного сигнала ГПС, который генерирует пилообразное переменное напряжение (напряжение линейной развертки) с частотой , которая называется несущей частотой . Логический сигнал управления ключами формируется компараторами К (релейными регуляторами). На входы компараторов К подается синусоидальный сигнал заданного напряжения (модулирующий сигнал) с заданной частотой и сигнал (рис. 11.12,б). Отношение амплитуд этих сигналов называется глубиной модуляции .

Компаратор определяет знак разности и определяет управление ключами

На выходе компараторов установлены двухпозиционные реле с гистерезисом. Наличие гистерезиса необходимо для исключения режима «звонковой работы» при переключении компаратора.

Принцип формирования синусоидального напряжения на нагрузке заключается в том, что с частотой ключи К1-К4 изменяют направление напряжения на нагрузке.

Если мгновенные значения сигналов задания и развертки таковы, что > , то реле выключает соответствующий нечетный ключ и включает четный. При этом обмотка статора оказывается подсоединенной к положительному полюсу источника постоянного тока (в соответствии со схемой рис. 11.12,а). В случае < , обмотка статора подключается к отрицательному полюсу источника . В результате, напряжение на нагрузке , формируется из прямоугольных импульсов с частотой . Cреднее значение напряжения на периоде развертки равно среднему значению сигнала задания (рис. 11.12,б), а основная гармоническая напряжения совпадает по фазе и амплитуде с напряжением задания . Изменяя амплитуду задания можно в любом диапазоне управлять значением амплитудой напряжения на фазе инвертора . В инверторе с ШИМ на одном интервале выполняется две коммутации ключей, а за период таких коммутаций выполнится , где - кратность частоты коммутаций. Таким образом, , а несущая частота определится как .

Фазный ток на межкоммутационных интервалах формируется из участков экспонент (рис. 11.12,б). При этом, если частота сигнала развертки , то кривая тока более чем на 99% состоит из основной гармонической.

11.4.2. Принцип широтно-импульсной модуляции трехфазного синусоидального напряжения.

В соответствии с алгоритмом 180⁰ управления в трехфазном АИН одновременно замыкаются два нечетных ключа и один четный ключ или два четных ключа и один нечетный ключ (рис. 11.13.а) /32/. На каждом интервале коммутации две фазы обмотки статора соединяются параллельно и подключаются последовательно с третьей фазой (рис. 11.13.б). При этом на разных межкоммутационных интервалах амплитудные значения фазного напряжения могут достигать значений или (см. рис. 11.11.с). Если же одновременно замыкаются три четных или нечетных ключа, то все три фазы оказываются соединенными параллельно и отключенными от напряжения источника питания .

На рис. 11.13.с представлены диаграммы формирования трехфазного напряжения методом ШИМ. По значениям напряжений сигнала развертки и модулирующих сигналов фазных напряжений , и происходит управление ключами К1-К6, в результате чего фактическое фазное напряжение на статорной обмотке двигателя формируется из импульсов амплитудой , и интервалов с нулевым входным напряжением.

Таким образом, управление выходным напряжением осуществляется из­менением соотношения между интервалами подключения фазы двигате­ля к «плюсу» и «минусу» источника питания в течение одного периода . Тем самым изменяют глубину регулирования выходного напряжения, которая определяется коэффициентом регули­рования К_р. Действующее значение первой гармоники фазного напряжения при использования ШИМ в инверторе в соответствии с (11.18) , а сред­не значение выходного тока в соответствии с (11.19) /33/

.

Коэффициент регулирования изменяется в диапазоне 0≤К_р ≤1. При К_р =0 напряжение на выходе инвертора U₁=0; ток в промежуточном звене постоянного тока I_d=0. Значение К_р = 1 означает, что регулирование способом ШИМ завершилось, и частота коммутаций ключей фазы равна f₁ . При этом кривые фазного напряжения и тока соот­ветствуют диаграммам, представленным на рис. 11.11с.

Очевидно, что система управления ключами инвертора чаще всего реализуется методами цифровой обработки информации.

Управление инвертором способом ШИМ применяют для решения двух задач: изменения первой гармонической выходного напряжения и приближения формы кривой фазного тока двигателя к синусоидальной. При решении второй задачи кратность коммутаций должна быть достаточно большой. Но увеличение частоты коммутаций тиристоров инвертора влечет за собой возрастание потерь и сниже­ние к.п.д. инвертора.

По этим причинам высокие значения кратности коммутаций тиристоров используют только при малых выходных частотах напряжения инвертора при пуске АТД (рис. 11.14). В начальной стадии пуска при f₁ =1-10 Гц кратность коммутаций ключей инвертора п_к может изменяться от 200 до 20 и обеспечивается хорошее приближение формы тока фазы двигателя к синусоидальной. По мере возрастания частоты напряжения (тока) обмотки статора кратность комму­таций уменьшают до значений n_к = 3 . В зоне частот f₁>50 Гц крат­ность коммутаций п_к =1.

11.5. Системы частотного управления асинхронным тяговым двигателем

До середины 70-х годов прошлого столетия частотное (модульное) управление было основным в асинхронном электроприводе, т.к. позволяет просто решать многие технические задачи. Это относится в первую очередь к приводам с малым диапазоном регулирования и низкими требованиями к динамике. Термин «модульное управление» связан с тем, что управление моментом двигателя осуществляется изменением модуля напряжения (или тока) статора в зависимости от частоты питающего напряжения.

11.5.1. Регулирование по абсолютному скольжению

Для устойчивой работы асинхронного двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие механического и нагрузочного моментов. С увеличением нагрузки на валу двигателя должен возрастать и его механический момент. В узком диапазоне скольжения так и происходит: при увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается, т.е. возрастает скольжение, а повышение скольжения вызывает увеличение механического момента двигателя по характеристике (рис. 11.15). Однако устойчивое увеличение момента возможно только в очень узком диапазоне скольжения , где - значение критического скольжения. За границей этого диапазона равновесие моментов не восстанавливается, и ротор двигателя останавливается (двигатель «опрокидывается»).

Для целей электропривода большое значение имеет механическая характеристика электродвигателя, т.е. зависимость , где - частота вращения ротора (рис. 11.16). Она определяется при постоянной частоте вращения поля (а соответственно и частоте питающего напряжения ), поэтому отличается от характеристики только положением относительно осей координат. Именно механические характеристики АТД на участках устойчивой работы формируют тяговую характеристику локомотива (рис. 11.17).

Наличие режимов неустойчивой работы асинхронного двигателя предъявляют особые требования к управлению его моментом в системах электропривода. Как известно, электромагнитная мощность асинхронного двигателя

,

где - модуль электромагнитного момента двигателя; - угловая скорость магнитного поля двигателя, - число пар полюсов обмотки статора.

Механическая мощность на валу двигателя зависит от угловой скорость вращения ротора

.

Поскольку в роторе асинхронного двигателя магнитные потери практически равны нулю, а механические потери очень малы, приблизительно можно считать, что разность между его электромагнитной и механической мощностью составляют электрические потери в роторе / 2/

,

где - приведенный ток фазы обмотки ротора; - фазное напряжение обмотки статора; , , - активное и реактивное сопротивления фазы обмотки статора , - активное и реактивное сопротивления фазы обмотки ротора, приведенные к параметрам фазы обмотки статора; - относительное скольжение.

После преобразования получаем

.

Откуда электромагнитный момент двигателя

или (11.20)

Из (11.20) следует, что асинхронный двигатель является трехпараметрической электромагнитной системой, т.к. его момент определяется значениями трех параметров режима работы . В частности, одно и то же значение момента можно получить при разных значениях частоты и амплитуды фазного напряжения (или фазного тока) обмотки статора. Иллюстрацией этому является U-образная характеристика асинхронного двигателя, которая получается при постоянных значениях и f₁ (рис. 11.18). При изменении значения скольжения s значение фазного тока статора I₁ будет меняться, достигая своего минимума при оптимальном значении скольжения s_опт /33/.

Зависимость при и f₁=const называется П-образной характеристикой асинхронного двигателя (рис. 11.18). Если пренебречь магнитными и механическими потерями, которые в тяговом двигателе не превышают 15%, то можно считать, что минимальному значению тока статора I_1min будет соответствовать максимальное значение его к.п.д. η_max. Очевидно, чтобы двигатель наиболее эффективно использовать в энергетической цепи локомотива система управления должна обеспечить его работу по экстремумам U- или П- образных характеристик.

Каждая точка тяговой характеристики локомотива определяется значениями (рис. 11.17), что позволяет установить значение (рис. 11.18). В соответствии с (11.13 ) на каждой точке тяговой характеристики частота питающего напряжения определится как , а максимально возможный момент двигателя . Это значит, что для формирования тяговой характеристики локомотива необходимо независимо управлять значением частоты фазного напряжения f₁ - обеспечивая заданную скорость движения, и модулем амплитуды тока обмотки статора ( или напряжения на обмотке статора) - обеспечивая заданное значение силы тяги. В соответствии с требованием независимого управления значениями f₁ и I₁ система управления асинхронным тяговым приводом локомотива должна иметь два контура, а закон управления должен обеспечивать функциональную связь между контурами управления частотой и модулем тока (напряжения) обмотки статора (т.к. момент зависит от частоты f₁).