9.2. Тяговые и тормозные свойства вентильного тд.

Принцип действия вентильного ТД основан на взаимодействии вращающегося поля статора (как у асинхронного ТД) с полем ротора, которое создается постоянным током. Отсюда вытекает, что по сравнению с асинхронным ТД, вентильный ТД имеет несколько меньшую активную длину статора и ротора за счет необходимости иметь контактные кольца для передачи тока в обмотку ротора; и требует несколько больших эксплуатационных расходов.

Т ак же, как и АТД для питания вентильного ТД на ЭПС постоянного тока необходим автономный инвертор тока или напряжения, а на ЭПС переменного тока – выпрямитель и автономный инвертор.

Принцип действия вентильного ТД можно сравнить с принципом действия ТД постоянного тока. Но обмотка ротора играет роль главных полюсов, обмотка статора – роль якоря, а преобразователь – коллектора.

При питании вентильного ТД от сети постоянного тока необходимо иметь автономный инвертор, а при питании от сети переменного тока – преобразователь числа фаз. Преобразователь числа фаз является одновременно выпрямителем и инвертором, поэтому ПЧФ называют преобразователем с неявно выраженным звеном постоянного тока.

Взаимодействие магнитного поля ротора с токами в обмотках фаз статора создает вращающий момент

М = СФI_ск_и,

где к_и – коэффициент инвертирования, связанный с условиями коммутации тиристоров преобразователя.

,

где  – угол запаса инвертора;

 – угол коммутации тиристоров.

При вращении ротора в обмотках статора наводится ЭДС

Е = СФnк_и.

Эта ЭДС меньше подводимого напряжения на величину падения напряжения на активных сопротивлениях обмоток статора:

U_д = СФnк_и – I_сR_c.

Таким образом, частота вращения ротора

.

Из формулы следует, что частоту вращения вентильного двигателя можно регулировать посредством величины питающего напряжения и магнитного потока ротора, т.е. тока возбуждения. Это делает его еще более похожим на двигатель постоянного тока. Электромеханические характеристики вентильного ТД сходны с характеристиками ТД постоянного тока.

Вследствие наличия полупроводникового управляемого преобразователя и сложной системы управления у вентильного двигателя, в отличии от двигателя постоянного тока, возможно реализовать такие же законы регулирования, что и у асинхронного ТД.

До скорости выхода на номинальную характеристику желательно иметь максимальную силу тяги. Обеспечение этого режима осуществляется путем поддержания постоянства тока статора за счет увеличения питающего напряжения при неизменном токе возбуждения.

Максимальное значение вращающего момента реализуется при взаимно перпендикулярном положении оси полюсов ротора и полюсов статора, т.е. при взаимно перпендикулярном направлении намагничивающих сил ротора и статора. Это условие выполняется при синхронном вращении ротора и поля статора. Частота вращения поля статора

.

Так как частота вращения поля статора должна быть равна частоте вращения ротора (n_c = n), то по мере роста скорости движения (частоты вращения ротора) необходимо увеличивать частоту питающего напряжения. Это осуществляется системой управления по сигналам датчика положения ротора.

После достижения номинальной характеристики частоту вращения ротора можно регулировать изменением магнитного потока, т.е. тока возбуждения.

При исчерпании этих возможностей, как следует из формулы, характеристика вентильного двигателя близка к характеристике ТД последовательного возбуждения. Эта характеристика, по аналогии с АТД обеспечивается системой управления при постоянстве потребляемой мощности.

В вентильном двигателе, как и в двигателе постоянного тока можно применить последовательное и независимое возбуждение. Поэтому тяговые свойства электровоза с вентильными ТД определяются системой возбуждения ТД.

Поскольку при использовании вентильных ТД обязательно наличие сложной системы управления и полупроводникового преобразователя, то логично предположить наличие у данного ТД режима поддержания постоянной скорости.

В отличие от двигателя постоянного тока частота вращения вентильного двигателя определяется не только током якоря и возбуждения, но и углом отпирания тиристоров

 =  + .

Угол коммутации  определяется величиной тока статора, величиной индуктивности цепи коммутации и другими факторами. Угол запаса инвертора  определяется типом тиристоров, числом последовательно включенных приборов, уровнем питающего напряжения.

В зависимости от принятого закона изменения тока возбуждения в зависимости от тока статора можно получить различные электротяговые характеристики двигателя. Если в процессе регулирования поддерживать постоянным ток возбуждения, то характеристики двигателя будут подобны характеристикам двигателя последовательного возбуждения. Если же ток возбуждения менять в определенной зависимости от тока якоря, то можно получить характеристики как у ТД постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением.

Как известно нормальная реализация тяговых свойств электровоза может осуществляться только при выполнении условий электрической и механической устойчивости режима тяги. Наиболее сложный режим работы преобразователя наблюдается при использовании ПЧФ (питание от контактной сети переменного тока).

Поскольку инвертор преобразователя питается от выпрямителя, то условия электрической устойчивости определяются соотношением напряжений инвертора и выпрямителя в данный момент времени:

,

где L_к – индуктивность цепи выпрямителя и инвертора.

Величина напряжения на выходах выпрямителя и инвертора в зависимости от тока нагрузки определяется наклоном их внешних характеристик.

Внешняя характеристика выпрямителя определяется формулой

и имеет отрицательный наклон к оси тока.

Здесь U_в0 – напряжение холостого хода выпрямителя;

_р – угол регулирования;

х_в – индуктивное сопротивление в цепи выпрямителя.

Характеристика инвертора зависит от закона управления вентильным двигателем:

,

где U_л – амплитуда линейного напряжения на выходе инвертора;

х_и – индуктивное сопротивление в цепи инвертора.

Знак "+" соответствует закону постоянства угла отпирания тиристоров ( = const), знак "–" – закону постоянства угла отпирания тиристоров и угла запаса инвертора ( = const и  = const).

Предположим, что в точке А имеет место электрическое равновесие. Из рисунка следует, что при реализации закона  = const обеспечивается электрическая устойчивость работы тягового привода с вентильным двигателем при всех значениях нагрузки, поскольку разность между ЭДС выпрямителя и напряжением инвертора, равная ЭДС самоиндукции имеет знак, противоположный знаку изменения тока. При реализации закона  = const и  = const устойчивость зависит от наклона характеристики инвертора: при наклоне характеристики выпрямителя меньше наклона характеристики инвертора система становится неустойчивой и наоборот. Таким образом, условие устойчивости работы тягового привода с вентильным двигателем сводится к условию меньшего значения коэффициента наклона внешней характеристики инвертора по отношению к коэффициенту наклона внешней характеристики выпрямителя:

.

Вентильный ТД пригоден для реостатного и рекуперативного торможения. При этом он работает как трехфазный генератор переменной частоты. При рекуперации на сеть постоянного тока преобразователь работает как управляемый выпрямитель, а при рекуперации на сеть переменного тока преобразователь совмещает функцию управляемого выпрямителя и однофазного инвертора, ведомого сетью.

Условия электрической устойчивости определяют, как и в тяговом режиме, законом регулирования. При реализации закона  = const и  = const магнитный поток генератора под действием реакции якоря быстро спадает (характеристика аналогичная характеристике двигателя постоянного тока встречно-смешанного возбуждения). Поэтому электрическая устойчивость обеспечивается без применения дополнительных стабилизирующих резисторов. Закон регулирования  = const неприемлем, т.к. при этом сильно искажается кривая напряжения и снижается коэффициент мощности.

В России в 1970 г. был построен и испытан электровоз ВЛ80В. В настоящее время ведется разработка электровоза ЭП200 для скоростного движения. За рубежом вентильные ТД применены на скоростном поезде TGV.