9. Тяговые и тормозные свойства эпс с бесколлекторными тд.

К бесколлекторным ТД, применяемым на подвижном составе ж.д. следует отнести асинхронные и вентильные ТД. Приоритет в применении бесколлекторных ТД объясняется тем, что у них отсутствует коллекторно-щеточный аппарат – наиболее уязвимая часть коллекторного двигателя. Он может ограничивать мощность ТД по нагреву, ограничивает максимальное напряжение и частоту вращения якоря, а кроме того уменьшает активную длину якоря и полюсов – т.е. снижает потенциальную мощность. В эксплуатации коллекторно-щеточный аппарат требует к себе пристального внимания – начиная от периодической смены щеток и заканчивая очисткой коллекторного узла от токопроводящей пыли от изнашивающихся щеток и коллектора. При ремонте коллекторного двигателя необходимо обтачивать износившийся коллектор и продороживать его, чего не требуется для асинхронного ТД.

Применение бесколлекторных ТД позволит увеличить мощность ЭПС в 1,5–1,7 раза по сравнению с коллекторными при сохранении габаритных размеров ТД на прежнем уровне. Эксплуатационные расходы снизятся на 30–40%. Стоимость бесколлекторных ТД в 1,5–1,7 ниже.

Проблема применения бесколлекторных ТД привлекла разработчиков ЭПС практически одновременно с появлением электрической тяги. В швейцарском городе Лугано в 1896 г. на трамвайном вагоне впервые были использованы трехфазные ТД мощностью 15 кВт. Система трехфазного тока на электровозах с асинхронными ТД разрабатывалась в Италии, Франции, Венгрии, США. Перед Второй мировой войной в Германии велись разработки электровоза с вентильными ТД. Поскольку для эффективной работы бесколлекторного ТД необходима реализация сложных законов регулирования, то при недостаточном развитии полупроводниковой техники ЭПС получается очень сложным и ненадежными в работе.

9.1. Тяговые и тормозные свойства асинхронного тд.

В асинхронном ТД используется взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током, наведенным этим полем в роторе. Вращающий момент асинхронного ТД описывается следующей формулой:

,

где С – постоянная, зависящая от параметров двигателя;

U₁ – питающее напряжение;

s – скольжение ротора;

f₁ – частота питающего напряжения.

Для питания АТД на ЭПС постоянного тока необходимо иметь автономный инвертор напряжения или тока. На ЭПС переменного тока кроме автономного инвертора необходим выпрямитель. И выпрямитель и инвертор могут быть объединены в одном полупроводниковом устройстве – преобразователе числа фаз (ПЧФ).

Т.к. нагрузка ТД в эксплуатации может изменяться в широких пределах, то имея сложную многофункциональную систему управления важно и должно соблюдать условия, при которых ТД работает в наиболее экономичном режиме:

Р_min = (Р_м + Р_с + Р₂) = const.

В первом приближении считают, что механические Р_м и магнитные Р_с потери в двигателе не зависят от нагрузки, т.е. от тока ротора. Потери в роторе

Р₂ = М(₁ – _вр).

Рассмотрим, при каком условии потери минимальны. Так как мы условились, что потери механические и магнитные не зависят от нагрузки, то условие минимума потерь сводится к минимуму потерь в роторе:

.

Следовательно условие

Р_min = const

преобразуется в условие

f_{2 min} = (f₁ – f_вр)_min = const.

Для выявления способов реализации этого условия рассмотрим два режима работы двигателя. Допустим, что в первом режиме статор питается напряжением U₁ с частотой f₁, а в другом – соответственно U₁' и f₁'. Относительное скольжение ротора в этих режимах равно:

.

Вращающий момент в этих режимах будет соответственно равен:

.

Найдем соотношение моментов в этих режимах при условии

f₁ – f_вр = f₁' – f_вр' = const:

.

Отсюда

.

Этот закон оптимального частотного управления асинхронным двигателем был сформулирован М.П.Костенко в 1925 г. Из этого выражения следует, что оптимальный режим работы асинхронного двигателя определяется соотношением трех его параметров – напряжения и частоты статора, а так же вращающего момента. Изменяя соотношение этих составляющих таким образом, чтобы соблюдалось условие минимума потерь т.е. условие работы с максимальным КПД и cos. При больших нагрузках следует учитывать падение напряжения в обмотке ротора и для получения наилучших показателей вносить коррективы в закон регулирования. С этой целью на электровозах применяется система автоматического регулирования режимов работы ТД.

Поскольку для электрической тяги удобнее иметь выражение закона регулирования не от частоты питающего напряжения и момента, а от скорости и силы тяги, то выражение закона Костенко преобразуется следующим образом:

.

Выражение получено с допущением, что на рабочей части характеристики скорость движения пропорциональна частоте питающего напряжения без учета скольжения:

,

а сила тяги, как известно, пропорциональна вращающему моменту без всяких допущений:

.

Для ЭПС наиболее характерен следующий закон регулирования: до скорости выхода на номинальную характеристику поддерживается постоянство силы тяги, а затем – постоянство мощности.

Постоянство силы тяги означает постоянство вращающего момента. Вращающий момент определяется взаимодействием магнитного потока статора и тока ротора, приведенного к обмотке статора (I₂'). Следовательно, постоянство вращающего момента равносильно I₂' = const. Ток статора можно представить как сумму векторов тока холостого хода и тока ротора, приведенного к обмотке статора:

.

Следовательно, постоянство тока ротора равносильно постоянству тока статора и закон регулирования при постоянстве силы тяги будет выглядеть следующим образом:

.

Т .е. для поддержания постоянной силы тяги необходимо с ростом скорости повышать напряжение питания, пропорционально скорости или частоте.

После выхода на номинальную характеристику целесообразно поддерживать постоянной мощность, потребляемую из сети, т.е. мощность двигателя. Поскольку

,

то

.

Следовательно

.

Иными словами, для поддержания постоянства потребляемой мощности необходимо с ростом скорости изменять питающее напряжение пропорционально корню квадратному из его частоты.

Логично предположить, что система автоматического управления способна реализовать алгоритм поддержания постоянной скорости движения. Как следует из формулы, постоянство скорости соответствует постоянству частоты питающего напряжения, а

,

т.е. при постоянной скорости движения необходимо изменять питающее напряжение пропорционально корню квадратному из силы тяги.

Если поддерживать постоянным напряжение питания, то

,

т.е. при постоянстве питающего напряжения тяговая характеристика (F_к(V)) представляет собой квадратичную гиперболу – как у ТД постоянного тока с ненасыщенной магнитной системой.

Т аким образом, одним из достоинств асинхронного ТД является возможность с помощью системы управления реализовывать различную жесткость характеристик: при постоянстве частоты реализуется жесткая характеристика (хороша при необходимости использовать максимальную силу по условиям сцепления), при постоянстве напряжения – мягкую.

Как было сказано выше, до скорости выхода на номинальную характеристику целесообразно поддерживать постоянство силы тяги. Для этого необходимо изменять напряжение питания пропорционально скорости движения. По аналогии с ТД постоянного тока это режим пуска. Постоянство силы тяги соответствует постоянству тока статора, а, следовательно, и магнитного потока. В режиме пуска мощность изменяется прямо пропорционально скорости движения.

По окончании режима пуска целесообразно поддерживать постоянство потребляемой мощности. Для сохранения как можно больших значений силы тяги до максимальной скорости движения целесообразно изменять ее обратно пропорционально скорости. Такой закон изменения силы тяги при постоянстве мощности соответствует изменению напряжения пропорционально корню квадратному из скорости. Это нецелесообразно, так как увеличение напряжения вызовет ухудшение массогабаритных показателей ТД и преобразователя. Изменение питающего напряжения обратно пропорционально корню квадратному из скорости движения при постоянстве мощности соответствует постоянству тока статора и магнитного потока.

Вследствие ухудшения массогабаритных показателей ТД и преобразователя при реализации закона изменения силы тяги от скорости движения, приходится отказаться от постоянства магнитного потока и регулировать ток двигателя в диапазоне скоростей от V_a до V_max таким образом, чтобы поддерживать постоянство потребляемой мощности и напряжения питания. При этом сила тяги будет изменяться обратно пропорционально квадрату скорости. Так как

U₁  CfФ,

то с ростом скорости магнитный поток будет изменяться обратно пропорционально частоте (скорости). По аналогии с ТД постоянного тока этот режим называется регулированием возбуждения.

Максимальную частоту питающего напряжения выбирают исходя из максимальной скорости движения ЭПС и параметров ТД и тяговой передачи:

.

Минимальную частоту выбирают из условия трогания с места при условии, что ТД реализует силу тяги, превышающую номинальную на 30–50% при минимальном токе статора.

Неоспоримым достоинством асинхронного ТД является достаточно легкий переход в режим торможения (без переключений в силовой цепи). Для перехода в режим торможения необходимо выполнить два условия:

1. Необходимо снизить частоту магнитного поля статора ниже частоты вращения ротора. При этом скольжение становится отрицательным, что соответствует генераторному режиму. Это условие реализуется системой управления.

2. Питание обмотки статора обеспечивается реактивной составляющей тока, так как имеется необходимость создания магнитного потока. Это условие реализуется в зависимости от принятой схемы преобразователя частоты.

Тормозные характеристики асинхронного ТД определяются законами регулирования напряжения и частоты. Характеристики ограничены условиями реализации максимальной тормозной силы по условиям сцепления колес с рельсами.

До настоящего времени в России ЭПС с асинхронными ТД в серию не пошел в основном по причинам недостаточной развитости полупроводниковой и микропроцессорной техники. Были созданы опытные образцы: ВЛ80А, ВЛ86Ф, поезд метрополитена.

В настоящее время разрабатываются несколько образцов ЭПС с асинхронными ТД: ЭП100 – скоростное движение, постоянный ток; ЭП10 – двойное питание; ЭТ2А и ЭД6 – пригородное движение, постоянный ток; ЭН3 – пригородное движение, переменный ток; ЭС250 ("Сокол") – скоростное движение, двухсистемный.