2.3.6.1. Способы управления асинхронными двигателями

Известно, что скорость вращения ТАД определяется

(2.23)

где – синхронная скорость вращения, т. е. скорость вращения магнитного поля;

–скольжения ротора АД;

f – частота питающего напряжения;

–число полюсов обмотки статора АД.

Т.е. и обратнопропорционально.

При непосредственном подключении АД к СГ частота питающего тока или частота СГ может быть определена по формуле:

Гц (2.24)

где - число полюсов обмотки ротора СГ;

- частота вращения ротора СГ.

Подставляя (2.23) в (2.24), получим:

(2.25)

Анализ (2.25) показывает, что скорость вращения АД характеризуется следующими свойствами:

- пропорциональна числу полюсов СГ;

- обратнопропорционально числу плюсов АД;

- пропорциональна частоте вращения СГ, а это показывает, что при непосредственном присоединении АД с СГ ухудшается использования мощности дизеля.

Преобразование (2.25):

дает следующее соотношение (2.26)

Из (2.25) и (2.26) видно, что на скорость вращения АД подводимое напряжение не влияет, но известно, что момент и мощность АД пропорциональны квадрату напряжения.

Следовательно, для обеспечения постоянства мощности передачи подводимое к ТЭД напряжение должно изменяться пропорционально корню квадратному из частоты подводимого тока:

(2.27)

где U, f – соответств. текущее значение напряжение и частоты АД;

,– соответств. номинальное значение напряжение и частоты АД.

Таким образом, U и f, подводимые к ТЭД, не должны зависеть от и должны регулироватьсяобособленно, а форма 3-х фазного тока, подводимого к ТЭД, должна быть по возможности синусоидальной для сведения к минимуму дополнительных потерь в нем.

2.3.6.2. Основные схемы возможного выполнения эппт

Схема «А»:

схема с непосредственным подключением ТАД к СГ. Ее называют «прозрачной» и рассматривают, как «жесткий электрический вал».

Схема «Б»:

схема с полюсопереключаемыми СГ и ТАД.

Схема «В»:

схема с регулированием питающей ТАД частоты и напряжения с помощью статического инвертора (СИН) (с явно выраженным звеном постоянного тока).

Схема «Г»:

схема с регулированием питающей ТАД частоты и напряжения с помощью непосредственного статического преобразователя частоты (НПЧ) (с неявно выраженным звеном постоянного тока).

Схема «Д»:

схема с тяговыми вентильными двигателями (ТВД), питаемыми от вентильных коммутаторов (ВК) и явно выраженными звеном постоянного тока.

Схема «Е»:

схема с ТВД питаемым от статического преобразователя фаз и частоты (ПФЧ).

Рис. 2.12. Возможные схемы выполнения ЭППТ

Использование полной мощности дизеля во всем диапазоне скоростей движения при «прозрачной» (схема «А») передаче возможно лишь при наличии дизеля с «мягкой» характеристикой, у которого вращающий момент обратно пропорционален скорости вращения.

При таком дизеле изменение скорости поезда регулируется скоростью вращения вала дизеля и соответственно частотой тока СР, подводимого ТАД.

Работы по созданию таких дизелей ведутся как у нас, так и зарубежом. Но создание таких дизелей, является сложной технической задачей, и пока нет оснований рассчитывать на ее быстрое решение.

Двухвальные ГТУ (газотурбинная установка) при неизменной подаче топлива может работать в широком диапазоне частот вращения. При разгоне ГТУ реализует максимальный , а в диапазоне (от 0,5до)изменяется обратно пропорциональноn так, что остается примерно постоянной.

В связи с этой особенностью на газотурбовозах возможно применение передачи по схеме «А». Наиболее благоприятно данное сочетание для пассажирских газотурбовозов с использованием полюсопереключающих ТЭМ (схема «Б»).

Схема «Б» с полюсопереключающим ТЭМ переменного тока имеет определенные перспективы, так как обладает следующими достоинствами:

- более высокий КПД;

- меньшая стоимость;

- большая надежность.

Однако необходимость переключения полюсов усложняет конструкцию СГ и ТАД и ухудшает использование мощности дизеля. Если передача по схеме «А» передает на колесные пары без преобразования с постоянным передаточным отношением, то схема «Б» может изменять это передаточное отношение, т.е. для имеющегося диапазона можно получить не- сколько диапазонов скоростей ТАД.

Исследования институтов показали, что существует возможность создания мощного пассажирского газотурбовоза с одним - двумя переключателями полюсов.

Схема «В» (СГ – ВУ – СИН – ТАД) позволяет применение обычных дизелей. В «ВУ» выпрямляется ток СГ. Через индивидуальные СИН с регулированием частоты тока на выходе получают питание ТАД. «СИН» выполняют на тиристорах, и регулирование частоты на выходе осуществляется за счет подачи

на управляющие электроды тиристоров в определенной последовательности или длительности импульсов от специальной системы управления (частотно – импульсное или широко – импульсное регулирование).

Преимущество этой схемы в том, что ТЭМ могут быть выполнены с минимальным весом и габаритами (по сравнению с «А» и «Б»), так как при наличии инверторов не требуется ни переключения обмотки машин, ни повышенного значения номинального скольжения ТАД. Но из-за высокой стоимости, сложности полупроводниковой техники, больших потерь в инверторах и дополнительных потерь в ТАД «КПД» в схеме «В» несколько ниже (в настоящее время созданы тиристоры на ток до 2500 А и значительно высокие напряжения).

Схема «Г» (СГ – НПЧ – ТАД) имеет примерно те же достоинства и недостатки, что и схема «В», однако создание надежного НПЧ, в котором бы преобразовывался переменный ток с постоянной частотой на выходе в переменный ток на выходе с регулируемой в широких пределах частотой для питания ТАД, является пока весьма сложной проблемой, но осуществимой (особенно с развитием полупроводниковой техники).

Схема «Д» и «Е» (с вентильными двигателями) так же могут быть реализованы благодаря достижениям электроники. Вентильный двигатель (ВД) по принципу действия близок к двигателю постоянного тока у него роль коллектора и щеток выполняет вентильный (тиристорный) коммутатор или преобразователь фаз и частоты. Работы по созданию ЭППТ с вентильными двигателями находятся на стадии испытаний опытных образцов.