Режими роботи та характеристики асинхронних тягових двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Режими роботи та характеристики асинхронних тягових двигунів



Асинхронні тягові двигуни, як і колекторні, можуть працювати в режимах тяги та електричного гальмування. Показники кожного режиму роботи асинхронного тягового двигуна (АТД) на відміну від колекторних машин визначаються законом управління тяговим двигуном. Щоб встановити найбільш ефективні закони управління АТД, необхідно розглянути залежність обертаючого моменту від його параметрів

де та -- відповідно число фаз і пар полюсів обмотки статора; -- фазна напруга двигуна; та -- приведені до параметрів кола статора активний та індуктивний опори ротора; -- кутова частота обертання поля статора; -- частота струму статора; та -- відповідно активний та індуктивний опори обмотки статора; -- відносне ковзання ротора; -- кутова частота обертання ротора.

Всі показники приймають у відповідності зі схемою заміщення АТД (рис. 1а), на якій: -- відносна частота струму статора; -- відносна частота струму ротора -- параметр абсолютного ковзання; (тут -- номінальна частота струму статора; -- частота струму ротора -- абсолютне ковзання).

Аналіз рівняння (1) показує, що момент характеризується трьома параметрами: і в умовах електричної тяги вони можуть змінюватися в широких межах.

Для полегшення аналізу режимів роботи АТД доцільно висловити залежність електромагнітного моменту через магнітний потік статора, струм ротора і абсолютне ковзання :

;

,

де та -- відповідно число витків фази і обмоточний коефіцієнт обмотки статора; -- неприведення опір «клітки» ротора; -- кут зсуву між векторами ЕРС і струмом роторної обмотки: , -- індуктивність стержнів ротора від потоків розсіяння.

Для частотно-регульованих асинхронних тягових двигунів відомий основний закон регулювання М.П. Костенко

де -- номінальне значення фазної напруги; та -- відповідно поточне і номінальне значення моменту; та -- відповідно поточне і номінальне значення магнітного потоку.

Враховуючи, що швидкість руху ЕРС , а сила тяги , де -- діаметр рухаючого колеса, м; -- передаточне відношення тягового редуктора; -- ККД рушійного механізму, представимо вираз (4) у вигляді

Номінальне значення і відповідають номінальній фазній напрузі і номінальній частоті .

Рис. 1 Схема заміщення (а), характеристика намагнічування (б), векторна діаграма АТД (в)



Рис. 2 Закони управління роботою АТД

Криві, наведені на рис. 2, відповідають двом найбільш характерним законам управління роботою ЕРС: при і при .

Розглянемо режим пуску при ( або ). Обертаючий момент АТД визначається взаємодією магнітного потоку статора

і струму ротора , приведеного до кола статора. Режим згідно з виразом (6) виконується, якщо в процесі регулювання ЕРС двигуна змінюється як

де -- фіксована ЕРС, обумовлена за кривою намагнічування при (див. рис. 2, б).

При виконанні умови (7) зі схеми заміщення (див. рис. 1а) отримаємо такі вирази: струм ротора

кут між векторами та

потужність на валу двигуна

Частота обертання ротора

Статичний електромагнітний момент

Момент визначається векторним твором магнітного потоку і струму ротора, з урахуванням виразів (6) і (7) він пропорційний добутку .

Як випливає з рівнянь (8) і (9), в режимі , т. е. у всій зоні пуску струм і кут не залежить від поточного значення частоти струму статора . Тому не залежить від частоти і обертовий момент АТД. З урахуванням виразів (8) і (9) отримаємо

звідси випливає, що при фіксованому значенні (или ) момент АТД однозначно визначається абсолютним ковзанням . Тому в процесі пуску для досягнення режиму необхідно підтримувати незмінним значення . На практиці для цього використовують автоматичний регулятор частоти (РЧ), який вимірює поточне значення частоти обертання ротора в герцах і регулює частоту струму статора в співвідношенні , где -- уставка абсолютного ковзання.

З векторної діаграми АТД (рис. 1, в) струм статора

или

де -- струм намагнічування або холостого ходу машини.

Кут між векторами та

кут між векторами и



Кут між векторами та , який визначає коефіцієнт потужності, .

З рівнянь (8), (9), (15) і (16) видно, що при пуску АТД з постійним потоком ()і фіксованим абсолютним ковзанням незмінними величинами, не залежними від частоти , є момент , кути , та струми та перерахованих параметрів відносно просто можна контролювати струм статора . Отже, підвищувати напругу при пуску від 0 до необхідно під контролем регулятора струму статора. У цьому випадку при автоматичному підтримці фіксованих значень та будуть виконані умови і .

Для потужних асинхронних тягових двигунів параметр зазвичай не перевищує 0,01-0,02 і . Принявши и , выраз (13) можна записать як

З виразу (18) випливає, що фіксованому значенню моменту відповідає безліч поєднань і , що задовольняють умові

При зміні струм відповідно до кривої намагнічування змінюється, що викликає зміну струму статота . Відомо, що залежності () для фіксованих значень моменту мають U-подібний характер. Оптимальне значення абсолютного ковзання для заданого моменту відповідає мінімуму струму , що визначається за U-образній характеристиці.

Режим мінімуму струму є раціональним при пуску, оскільки він відповідає мінімуму втрат потужності в обмотках АТД і напівпровідникових приладах перетворювача. Крім того, в початковій стадії пуску режим мінімуму струму збігається з умовою мінімуму на вході перетворювача випрямленої струму .

Це сприяє зниженню навантаження напівпровідникових приладів, обмоток реактора, що згладжує і трансформатора. Тому в регуляторах струму і регуляторах частоти при зміні уставки струму статора слід змінювати одночасно уставку абсолютного ковзання так, щоб заданому значенню відповідало оптимальне .

Наведені вище співвідношення дозволяють побудувати сімейство U-образних характеристик АТД по окремих точках кривої () використовуючи чисельний метод рішення. Для цього задаються фіксованим моментом і знаходять кілька пар значень та , що задовольняють умові (19).

Використовуючи співвідношення (8), (9), (15) і (16), визначають значення . Графічне побудова залежності () дозволяє знайти для заданого моменту мінімальне значення і відповідне йому значення .

На рис. 3 наведені U-образні характеристики АТД для двох значень кратності моменту и 1,5 і двох значень температури обмоток (- 50 і + 110 ° С). Струми и дано у відносних одиницях (за базові прийняті їх номінальні значення). Там же нанесені значень потоку

Перш ніж розглянути другий характерний режим роботи АТД - режим сталості потужності , визначимо межі регулювання частоти струму і фазної напруги. Максимальна частота на виході перетворювача при заданій максимальній швидкості руху , км/ч, числі пар полюсів АТD , діаметрі колеса , м, і передавальному відношенні тягового редуктора .

Мінімальну частоту вибирають для режиму рушання поїзда з місця, коли двигун повинен реалізувати пусковий момент , що відповідає . Зазвичай в цьому випадку використовують U-образні характеристики АТД. Режим пуску закінчується, коли фазна напруга АТD досягає номінального значення. асинхронний тяговий двигун

Розглянемо діапазон регулювання напруги. Момент АТД при заданій частоті струму ротора згідно рівняння (13) з урахуванням рівняння (6) пропорційний квадрату магнітного потоку.

На початку пуску для запобігання різких поштовхів сили тяги необхідно плавно збільшувати момент від нуля. Оскільки нульового значення магнітного потоку відповідає нульове значення фазної напруги, то .

Більш складний питання про максимальне значення фазного напруги . Перетворювач повинен дозволяти реалізацію розрахункової потужності АТД в номінальному режимі при номінальній швидкості руху . Отже, значення повинно бути не менше значення . При цьому необхідно врахувати коливання напруги контактної мережі, зовнішні характеристики перетворювальної установки і т. д.

У діапазоні швидкостей від до доцільно забезпечити роботу АТД в режимі сталості потужності на валу двигуна (див. рис. 2). При частоті струму статора вище номінальної вираз (9) з урахуванням виразу (6) приймає вигляд:

Звідси видно, що режим оже бути реалізований двома способами (можлива їх комбінація):

1)при постійній частоті струму ротора шляхом збільшення вихідної напруги перетворювача до значення

де -- коефіцієнт регулювання швидкості;

2)шляхом збільшення частоти струму ротора при незмінному напрузі . Цей режим легко реалізується системою автоведения, якщо уставка підвищується по сигналу датчика швидкості. Цей режим рівноцінний ослаблення збудження колекторних тягових двигунів.

В обох розглянутих випадках струм статора не перевищує номінального значення . З іншого боку, розрахунковий струм навантаження напівпровідникових приладів перетворювача визначається струмом АТД при пуску. Оскільки пусковий струм вище номінального, то . Тому завантаження тиристорів по струму і число паралельних гілок напівпровідникових приладів перетворювача не залежать від того, яким із двох розглянутих способів реалізується режим .

Підвищення фазної напруги в першому випадку до значення тягне за собою збільшення числа послідовно з'єднаних напівпровідникових приладів у перетворювачі. У результаті ростуть загальне число напівпровідникових приладів перетворювача, його обсяг, маса і вартість, а також типова потужність, маса й об'єм тягового трансформатора.

Другий спосіб, при якому режим досягається при незмінній напрузі , вільний від вказаних недоліків.

В режимі момент АТД при максимальній швидкості руху має становити . Тому необхідно оцінити зміну перевантажувальної здатності АТД для двох розглянутих випадків. Максимальний («перекидаючий») момент АТД при інших рівних умовах

де , -- відповідно «перекидаючий» момент і магнітний потік в номінальному режимі при , .

Для частот припустимо вважати

У першому випадку при и маємо:

З виразів (24) і (25) отримаємо

;

де , -- коефіцієнт перевантажувальної здатності і момент АТД при , -- те ж при номінальному режимі.

З виразу (26) випливає, що при реалізації режиму за першим способом коефіцієнт перевантажувальної здатності АТД в діапазоні швидкостей не змінюється. У другому випадку при та з рівнянь (23) і (24) маємо:

; ; ;

Отже, якщо режим реалізується при незмінній напрузі шляхом збільшення частоти абсолютного ковзання ротора , то коефіцієнт перевантажувальної здатності АТД знижується пропорційно коефіцієнту . Так як умова є граничним по реализуемому моменту, забезпечити режим при незмінній напрузі , можна за умови . Якщо ж перевищує коефіцієнт перевантажувальної здатності , то для забезпечення режиму можна застосувати комбіноване регулювання як напруги, так і частоти .

Коефіцієнт швидкостей можна записати у вигляді , де , а максимальну швидкість руху -- . Якщо до швидкості дійснювати (як це потрібно за першим способом) підвищення напруги до значення , то коефіцієнт перевантажувальної здатності АТД у відповідності з рівнянням (26) зберігається незмінним і рівним . Потім від швидкості до режим може бути забезпечений при постійній напрузі шляхом підвищення абсолютного ковзання ротора . Звідси випливає, що при максимальне фазна напруга (вихідна напруга перетворювача)

Для побудови електромеханічних, електротяги і тягових характеристик зазвичай користуються перерахунком необхідних параметрів, прийнявши за вихідні параметри номінального режиму. Тому називають базовими характеристики та , одна з точок яких відповідає параметрам номінального режиму.

З електромагнітного розрахунку АТД повинні бути відомі наступні параметри: номінальна фазна напруга обмотки статора , В, і номінальний струм фази , А; номінальна частота струму статора , Гц; номінальна вхідна потужність , кВт; число пар полюсів машини , та число витків у фазі обмотки статора ; активне , індуктивне опору, Ом, і обмотувальний коефіцієнт статорної обмотки; активне і індуктивний опори ротора, приведені до обмотці статора, и , Ом, а також магнітна характеристика .

Приймають наступний порядок розрахунку електромеханічних, електротяги і тягових характеристик (рис. 3).

1. Определяют электромагнитную мощность для номинального режима , которая принимается неизменной для построения базовых характеристик

де та - електричні втрати в обмотці статора і втрати в сталі відповідно.

Втрати в обмотці статора

де - коефіцієнт, враховуючий втрати від дії вихрових струмів.

2. Визначають електромагнітний момент, для .

де об/хв.

3. Знаходять магнітний потік

За значенням магнітного потоку і магнітної характеристики знаходять струм намагнічування , (див. рис 1, б).

Рис. 3 Залежність і при різних законах регулювання режимів роботи та їх обмежання

4. Підраховують частоту струму ротора з рівняння



де - коефіцієнт форми поля.

Зазвичай частота в робочих режимах мала і її можна знайти з виразу

5. Визначають струм ротора , приведений до струму статора,

6. Знаходять струм статорної обмотки

7. Коефіцієнт потужності для першої гармоніки струму

8. Частота обертання ротора, об / хв:

9. Момент на валу АТД, Н^.м:

Основні електричні втрати в обмотці ротора

Механічні втрати для АТД з самовентиляцією

Для АТД з незалежною вентиляцією

де - вихідна потужність АТД.

Додаткові втрати в обмотках статора і ротора від вищих гармонік струму

; ,

де - номер гармоніки.

Визначивши момент на валу АТД, знаходять силу тяги, кН:

Наведені розрахунки дозволяють отримати набір характеристик , причому розрахована тільки одна точка на одній з кривих (базової) для всіх характеристик. Далі необхідно задатися іншими значеннями частоти і розрахувати для неї всі параметри режиму. Зазвичай приймають п'ять-сім значень для однієї характеристики.

Для побудови інших (небазової) характеристик задаються новим значенням електромагнітної потужності . При цьому для швидкостей бажано приймати одні й ті ж значення . Так будують характеристики для ,... Число характеристик визначається вимогами експлуатації та системою регулювання.



Список використаних джерел

1. Захарченко Д.Д. Подвижной состав электрических железных дорог. Тяговые электромашины и трансформаторы / Д.Д. Захарченко, Н.А. Ротанов, Е.В. Горчаков. - М.: Транспорт, 1968. - 295 с.

2. Вольдек В.И. Электрические машины / В.И. Вольдек. - М.: Высш. шк., 1974. - 832 с.

3. Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. Тяговые электрические машины. Учебник для вузов ж.-д. трансп. -- М.: Транспорт, 1991. 343 с.

Размещено на Allbest.ru

...