Техн ЕМБ / Лек ТЕД

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Від перетворювачів з автономним інвертором постійної або регульованої частоти можливо живити синхронні двигуни. Як вхідний сигнал для комутації струму в таких системах використовують ЕРС самого двигуна. В такому разі перетворювач стає пасивним перемикаючим пристроєм, як і колектор. Тому така система має властивості аналогічні властивостям машини постійного струму.

Такий перетворювач для живлення тягового двигуна електровоза вперше був створений на основі багатоанодного ртутного випрямляча – єдиного на той час вентильного пристрою (1930 р. фірма Brown Boveri). Тому двигун одержав назву вентильного. Основна відмінність вентильного двигуна від машини постійного струму – у сильному впливі реакції якоря й процесу машинної комутації на магнітний потік машини, котрий суттєво зменшується зі зростанням навантаження.

Конструктивно ВД – це синхронна машина. Перетворювач одночасно випрямляє змінний струм, та перетворює число фаз з інвертуванням постійного струму в змінний за допомогою тих самих тиристорів або транзисторів. Тому такий перетворювач називають перетворювачем з неявно вираженою ланкою постійного струму. Одна із схем наведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема статичного перетворювача частоти й числа фаз для живлення якоря вентильного двигуна

161

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Схема складається з двох трифазних мостових інверторів, увімкнених зустрічно. Кожен з них працює тільки половину періоду напруги в обмотках тягового трансформатора.

Наведіть схему перетворювача з живленням від мережі постійного струму та поясніть принцип дії цієї схеми, якщо навантаженням є трифазний вентильний двигун.

Розглянемо принцип дії ВД, який живиться від джерела постійного струму.

Попередньо домовимось про таке. Визначати напрям струмів у фазних обмотках (рис. 5.2, а) будемо за положенням векторних діаграм (рис. 5.2, б). При цьому будемо вважати, що струм проходить до початку обмотки фази, якщо вектор струму цієї фази проектується на позитивну напіввісь осі ординат. Якщо вектор струму фази проектується на негативну напіввісь ординат, то струм іде від початку обмотки фази.

б

а– принципова схема вентильного двигуна;

б– векторні діаграми фазних напруг;

в– та провідний стан силових вентилів

Рисунок 5.2

162

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

На рис. 5.2, б наведено шість положень векторної діаграми через 60˚ – від 0˚ до 360˚. На кожній векторній діаграмі наведено кут повороту відносно початкового положення та номери вентилів, які увімкненні при відповідному положенні цієї діаграми. На рис. 5.2, в подана таблиця, в якій у відповідності з рис. 5.2, б наведені діапазони кутів увімкненого стану кожного з вентилів схеми на рис. 5.2, а.

Обертовий потік статора після кожної комутації повертається на 60˚ (електричних). Тому створюються магнітні сили, які притягують різнойменні полюси ротора та обертового потоку, тобто створюється обертаючий момент, який забезпечує безперервне обертання ротора. Перемикання вентилів (тиристорів) здійснюється завдяки системі керування, яка одержує сигнали від датчиків положення ротора, встановлених у двигуні.

Наведіть схему та поясніть принцип дії вентильного двигуна з живленням від мережі постійного струму через інвертор.

У ВД для живлення обмотки збудження застосовують контактні кільця з щітками. Можливе й безконтактне живлення, але для цього потрібен трансформатор з обертовою вторинною обмоткою та випрямляч на роторі, що ускладнює систему збудження.

Струм трифазної обмотки якоря взаємодіє з обертовим магнітним потоком збудження, завдяки чому створюється момент

,

під дією якого ротор приходить до руху. Для створення найбільшого обертаючого моменту використовують датчик положення ротора [21], який подає до відповідних вентилів перетворювача через систему керування керуючі імпульси (рис. 5.3).

В кожному півперіоді напруги контактної мережі імпульси керування вентилями зсунуті для кожної фази обмотки на 180˚:3=60˚. Тому за один період наруги контактної мережі ЕРС якоря ВД має шестикратні пульсації.

Припустимо, що машина двополюсна з трифазною статорною обмоткою. Перемикання живлення фаз здійснюється інвертором I , який керується системою керування СК, що отримує сигнали від безконтактних датчиків положення ротора ДПР.

163

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рисунок 5.3 – Схема вентильного двигуна

Які магнітні поля створюються у повітряному зазорі вентильного двигуна? Як регулюється швидкість обертання вентильного двигуна?

Розглянемо випадок, коли фази вмикаються по черзі. Якщо в початковий момент ротор та його потік Фзб мають положення, пока-

зане на рис. 5.3, то при вмиканні фази А виникає потік ФА . Створюються магнітні сили, які повертають ротор так, щоб потоки Фзб та ФА співпали.

Коли осі потоків Фзб та ФА зближуються, від ДПР подається сигнал на СК, тому фаза А вимикається, а фаза В вмикається. Створюється потік ФВ . Тепер уже створюються магнітні сили, які намагаються повернути ротор так, щоб співпадали потоки Фзб та ФВ і т. д.

Звичайно у ВД використовуються, окрім ДПР, безконтактні датчики, які фіксують положення амплітуди повного магнітного потоку, тривалість комутації вентилів інвертора, датчики напруги, струму і т. д.

На роторі ВД є високопровідні контури (демпферні обмотки, полюсні наконечники і т. і.), які, у відповідності з правилом Лєнца, намагаються ослабити змінення магнітного потоку в роторі. Тому стрибкоподібні переміщення потоку відносно ротора згладжуються, й для ВД середньої та високої потужності можливо вважати, що потік

164

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

якоря обертається рівномірно з середньою швидкістю ротора, тобто в МРС якоря переважає перша гармоніка, яка створює синхронне обертове поле, а вищі гармоніки поля заглушуються демпфуючими контурами.

Яка середня ЕРС виникає на затискачах постійного струму вентильного двигуна?

Обертання ротора, в свою чергу, наводить в обмотках якоря ЕРС обертання, форму котрої можна вважати наближено синусоїдною. Зі збільшенням напруги збільшується швидкість обертання n та протиЕРС. Зменшення Фзб призводить до зростання n (для збереження

проти-ЕРС). Можливий і третій спосіб регулювання – зміною проміжку часу випередження вмикання обмоток фаз статора по відношенню до положення ротора.

Для спрощення схеми перетворювача, щоб не застосовувати вузли штучної комутації тиристорів, запирання вентилів здійснюється за допомогою проти-ЕРС обертання, яка наводиться в трифазній обмотці якоря двигуна. ЕРС та струми кожної фази змінні (рис. 5.4).

Рисунок 5.4 – Часові діаграми фазних струмів та ЕРС

ЕРС машини на затискачах постійного струму перетворювача пульсуюча (рис. 5.5). Вона характеризується середнім значенням Еср .

Ця ЕРС визначає середнє значення моменту двигуна при певних стумах навантаження та збудження.

165

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

Рисунок 5.5 – Криві ЕРС вентильного двигуна

Що таке машинна комутація тиристорів у вентильному двигуні? Поясніть за допомогою відповідної схеми та співвідношень.

Це середнє значення ЕРС Еср є теоретичним, оскільки вважа-

ється, що струм комутує з фази на фазу миттєво й точно в моменти часу, коли зростаюча та спадаюча ЕРС фаз зрівнюються (наприклад, точка «а»), тобто 0 . Але в дійсності початок комутації, тобто мить

часу, в яку вмикається вступаюча в роботу фаза, повинен випереджати на деякий кут момент часу, коли зрівнюються ЕРС фаз (рис. 5.4).

Тільки за цієї умови виникаюча в короткозамкненому контурі ЕРС комутації ек має напрям (рис. 5.6), необхідний для комутації струму з

попереднього тиристора (наприклад, V 4 ) до наступного (наприклад,

V 6 ).

Рисунок 5.6 – Схема комутації фазного струму

Перехід струму з фази на фазу відбувається не миттєво, а за деякий час, який визначається перехідним процесом. За цей час ротор повертається на кут . Система двигун – перетворювач буде працю-

166

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

вати нормально, якщо , тобто комутація закінчується раніше, ніж зрівнюються ЕРС комутуючих фаз

ек ев ес .

Якщо , то виникає так зване «перекидання» перетворювача (аварійний режим), оскільки після моменту часу, відповідного ку-

де Елт – амплітуда лінійної ЕРС; Iд – струм фази двигуна;

–початкова фаза комутаційної ЕРС;

–кутова частота обертання (комутації) двигуна;

Lк , r – комутаційна індуктивність та активний опір фази двигу-

на.

Звідси

комутацію. При r =0:

167

Вентильний двигун може працювати з живленням від мережі змінного струму. В цьому разі перетворювач повинен не тільки виконувати комутацію в якірній обмотці машини (обмотці статора), але й випрямляти змінний струм мережі.

При цьому

де

;

Eф – ЕРС фази двигуна;

–кут комутації;

–кут запасу.

Приклад схеми живлення ВД з неявною ланкою випрямляння наведено на рис. 5.7.

Рисунок 5.7 – Схема перетворювача з неявною ланкою випрямляння для живлення вентильного двигуна

Якщо, наприклад, затискач «А» вторинної обмотки трансформатора позитивний, а «X» - негативний, то струм протікатиме у напрямі, вказаному суцільними стрілками через вентилі V1 та V11. При протилежній полярності затискачів вторинної обмотки трансформато-

168

В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ

ра – через вентилі V 4 , V 8 . Така схема живлення дозволяє одержати більший ККД.

5.3 Електромагнітні процеси у вентильних двигунах та їхні характеристики

Які особливості визначення ЕРС вентильного двигуна, його моменту на валу та швидкості обертання у порівнянні з машиною постійного струму?

При роботі трифазного ВД на холостому ході магнітний потік Ф ротора наводить в обмотках статора (якоря) трифазну систему синусоїдних ЕРС. При навантаженні потік машини (й система векторів ЕРС) зсовується вперед відносно осей ротора на кут k у напрямку

його обертання. Одночасно ЕРС змінюється й за величиною внаслідок розмагнічуючої дії реакції якоря.

Діюче значення першої гармоніки фазної ЕРС обертання

Ця ЕРС відрізняється від ЕРС обертання у зв’язку з процесом комутації та спаду напруги на активному опорі r обмотки.

Розглянемо лінійну напругу двигуна з ідеальною демпферною обмоткою й повністю згладженим струмом Iд . Припустимо, що при зміненні напруги від t =0 до початку комутації струм протікав у фазах C та A . Тоді

B . Оскільки демпферна обмотка ідеальна, змінення струму комутації не наводить ЕРС у фазі C . Напруга uBC :

169

У формулі (5.6) перший доданок це – напівсума ЕРС eCA та eBC .

Другий доданок має коефіцієнт 1.5, оскільки дві фази двигуна з’єднані між собою паралельно й послідовно з третьою фазою.

Для розрахунку основних електромеханічних характеристик необхідно знати середнє значення ЕРС двигуна. Його отримують інтегруванням кривої ЕРС, вважаючи, що вона змінюється аналогічно лінійній ЕРС двигуна у позакомутаційні інтервали часу праці й відповідає середньому значенню двох сусідніх лінійних ЕРС під час комутації. Для трифазного двигуна

або в розгорнутому вигляді

тації короткозамкнені дві фази й магнітний потік зчіплюється з неповним числом витків якоря). Це можливо уявити як часове скорочення кроку обмотки якоря

kск cos 2 .

Величина 3 характеризує кількість фаз двигуна. Введемо поз-

начення:

коефіцієнт інвертування

170