Характеристики и свойства асинхронных тяговых двигателей

Тяговые свойства асинхронного тягового двигателя.

В асинхронном тяговом двигателе (АТД) используется взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током, наведенным этим полем в обмотке ротора. Вращающий момент асинхронного ТД описывается следующей формулой:

,

где С – постоянная, зависящая от параметров двигателя;

U₁ – питающее напряжение;

s – абсолютное скольжение ротора (разность частоты питающего напряжения и частоты вращения 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). На современном этапе развития силовой полупроводниковой техники выгоднее на ЭПС постоянного тока дополнительно иметь входной импульсный преобразователь для регулирования величины напряжения, подводимого к ТД.

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:

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

где w₁ – угловая частота вращения магнитного поля статора;

w_вр – угловая частота вращения ротора.

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:

,

где р – число пар полюсов обмотки статора;

f_вр – частота вращения ротора;

f₂ – частота тока обмотки ротора.

DР_min = const

преобразуется в условие

Для выявления способов реализации этого условия рассмотрим два произвольных 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

.

.

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 питающего напряжения, а так же вращающего момента. Изменяя соотношение этих составляющих таким образом, чтобы соблюдалось условие минимума потерь т.е. условие работы с максимальным КПД и cosj. При больших нагрузках следует учитывать падение напряжения в обмотке ротора и для получения наилучших показателей вносить коррективы в закон регулирования. С этой целью на ЭПС применяется система автоматического регулирования режимов работы АТД.

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 намагничивания 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 питающего напряжения.

После выхода на номинальную характеристику целесообразно поддерживать постоянной мощность двигателя. Поскольку

,

.

.

Иными словами, для поддержания постоянства мощности необходимо с ростом скорости изменять питающее напряжение пропорционально корню квадратному из его частоты. Рост питающего напряжения требует более мощной изоляции обмотки статора, и, следовательно, приведет к увеличению габаритных размеров ТЭД.

В случае реализации закона постоянства питающего напряжения мощность и ток статора будет изменяться обратно пропорционально скорости движения, а сила тяги – обратно пропорционально квадрату скорости:

; Þ .

; Þ .

Так как в этом случае сила тяги падает слишком интенсивно, рационально реализовать гибридный закон регулирования: при достижении максимальной мощности напряжение питания еще не достигает своего максимального значения. Реализуется режим постоянства мощности. При достижении напряжением питания максимума – режим постоянства питающего напряжения.

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

,

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

Таким 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.

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.

Дата добавления: 2020-03-21 ; просмотров: 183 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Тяговые свойства ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями

Важным показателем для ЭПС является использование его сцепного веса в реализации силы тяги. Этот показатель во многом определяется жесткостью характеристик тягового двигателя.

Жесткость тяговой характеристики оценивается приращением си-

лы тяги с увеличением скорости движения 1571: хг

Практический интерес представляет жесткость в области больших нагрузок, превышающих нагрузки часового режима. При сравнительной оценке жесткости тяговых характеристик ЭПС различных типов можно пользоваться относительными значениями жесткости:

Аналогично оценивается жесткость тормозной характеристики:

Кривая 1 на рис. 11.14 представляет собой жесткую, а кривая 2 мягкую тяговые характеристики, кривая 3 — зависимость силы сцепления колесной пары от скорости движения. Если сила сцепления при скорости, отвечающей точке А, снизится на величину А/ 1 ‘, то начнется боксование колеса (точка Б). Скорость движения буксующего колеса будет равна сумме скоростей поступательного движения ц„ и скорости скольжения о_сК колеса по рельсу. В процессе боксования сила

сцепления будет снижаться [см. кривую 4, представляющую собой зависимость /^_сц(и_сК)1.

Далее характер процесса боксования зависит от жесткости характеристик.

В случае жесткой характеристики двигателя в процессе боксования сила сцепления при скорости, отвечающей точке К, окажется равной силе тяги, создаваемой тяговым двигателем. Скольжение колеса по рельсу прекратится, н наступит новое положение равновесия.

При двигателях с мягкой характеристикой случайно возникшее боксование колес будет развиваться и стремиться перейти в разносное боксование. По мере увеличения скорости скольжения колеса в процессе боксования разность между силой тяги, развиваемой тяговым двига-лем (кривая 2), и силой сцепления (кривая 4) будет возрастать. Для прекращения боксования надо принимать меры, повышающие силу сцепления колес с рельсом или уменьшающие силу тяги.

Рис. 11.14. Характеристики процессов боксования при мягких и жестких тяговых характеристиках

Рассмотрим эти процессы при применении асинхронных тяговых двигателей. На ЭПС с АТД частота тока статора автоматически регулируется в зависимости от частоты вращения ротора /_вр и в режиме тяги /i = /вр + ft- Результаты испытаний отечественного и зарубежного ЭПС показали существенную зависимость противобоксовочных свойств тягового асинхронного двигателя от способа измерения /_вр. Наиболее целесообразен способ, при котором /_вр измеряется на основе поступательной скорости, например от датчика, установленного на бегунковой оси (электропоезда). При отсутствии бегунковых осей практически такие же результаты (исключая режим одновременного боксования всех осей) можно получать, если оборудовать датчиками все двигатели локомотива, что позволяет выбирать минимальное значение /_{вр m}i_n.

При указанных способах измерений /_вр регулятор не реагирует на увеличение частоты вращения ротора двигателя, связанного с колесной парой, у которой нарушились условия сцепления. Поэтому характеристики боксующего АТД следует рассматривать при условиях = const, /₂ = -/_вр = var. При этом принимаем неизменным фазное

Известно, что ускорение ротора (достаточно быстрое во времени изменение скольжения df₂ldt) может существенно влиять на характеристики асинхронной машины. Поэтому представляет практический интерес рассмотреть жесткость тяговой характеристики АТД при срыве сцепления с учетом изменения /₂. Известно [51, что при dfjdt Ф 0 динамическая характеристика М Q_t) тем сильнее отличается от статической характеристики, чем больше коэффициент К_л:

где Т_г = х_кЦг’_г -2л/|) — постоянная обмотка ротора; -индуктивное сопротивление короткого замыкания; *_кр = /_2кр— относительное критическое скольжение.

Для различных асинхронных машин, обладающих одинаковыми значениями К_я, характеристики М (/₂) в относительных единицах подобны друг другу. Известна методика расчета универсальных характеристик для различных значений К._я 158], которая использована при определении динамических характеристик АТД в случае срыва сцепления.

При нарушении сцепления колес с рельсами ротор АТД приобретает угловое ускорение:

где М — текущее значение момента; Л4_СЦ — момент нагрузки, определяемый сцеплением колес с рельсами; J_e — суммарный момент инерции ротора и связанной с ним колесной пары; М_иац — избыточный момент.

Из-за множества факторов, влияющих на коэффициент сцепления, не представляется возможным при боксовании однозначно задать М_сц в функции времени. Поэтому целесообразно ориентироваться на реальные значения ускорения боксующей оси, известные по опыту эксплуатации. Поскольку при числе пар полюсов р частота вращения ротора n_t — (/| — ft)lp, то при = const имеем dfjdt — — р dnjdt.

Линейная скорость колеса по кругу качения

Поэтому величина df_tldt связана с линейным ускорением боксующей оси а соотношением

Если пренебречь потерями в редукторе, то сила тяги иа ободе колеса /^ = 2 М[іЮ_к. С учетом выражений (11.20) и (11.23) получим

В качестве примера выполним расчеты применительно к АТД типа НБ-602 электровоза ВЛ80*, для которого Т_г = 0,04 с; /,_кр = 4 Гц; р — 4; ?>„ = 1,25 м; р = 4,4; J_c = 90 кг-м 1 ; К_я = 0,044.

Абсолютная жесткость тяговой характеристики — — А^/До, где ДЕ — уменьшение силы тяги при возрастании окружной скорости колеса на величину Ап.

Из опыта эксплуатации известно, что на электровозах в начале срыва сцепления линейное ускорение колеса превышает 0,6 м/с 1 и по

мере развития боксования может достигать значений 2-5 м/с*. Если при расчете принять а = 5 м/с*, тогда с учетом выражений (11.23) и (11.24) получим (ії^сИ — 22 Гц/с; К_а = 0,22.

Пусть перед срывом сцепления двигатель развивал вращающий момент — 11,3 кН-м и реализовал силу тяги = 80 кН при коэффициенте сцепления ф = 0,33 и нагрузке колесной пары на рельс 240 кН. На рис. 11.15 данному режиму соответствует точка А и скольжение ротора /, = 1,2 Гц. Примем, что в процессе боксования коэффициент сцепления снижается до минимального значения

Рис. 11.15. Характеристики тягового двигателя НБ-602 с учетом ускорения ротора:

1 — /(д-0; 2 — /(я-0,22; 3 — Кд-0.бв

г|5 = 0,1 (например, при наезле на масляное пятно) и для точки Б имеем Г₂=24 кН, М₂ — 3,3 кН-м.

Согласно выражению (11.23) при увеличении числа полюсов машины возрастает коэффициент К_л, динамическая характеристика двигателя более значительно отличается от статической и потому возрастает (по абсолютному значению) приращение А/_Вр, при котором момент двигателя снижается до нуля. Из выражения (11.22) следует, что при заданном приращении Д/_вр увеличение числа пар полюсов ведет к снижению приращения скорости До. Поэтому число пар полюсов машины слабо влияет на жесткость динамической характеристики АТД.

Для динамической характеристики важным параметром является абсолютное скольжение/г, при котором момент М — 0. По мере увеличения коэффициента К_а скольжение /г по абсолютному значению возрастает (но /г 2 жесткость тяговой характеристики АТД типа НБ-602 уменьшается примерно в 1,8 раза.

Известно, что высокие противобоксовочные и тяговые свойства локомотива достигаются (при прочих равных условиях) в том случае, если жесткость тяговой характеристики равна или больше жесткости ниспадающей ветви характеристики сцепления ф (о), которая имеет максимальное значение при скорости, близкой к нулю, и равна пример- но Хсц =0>9 с/м. В рассмотренном случае указанное условие выполняется, причем для ветви 2 показатель х^ превышает Хсц более чем в 2 раза.

Время, за которое по характеристике 2 будет достигнуто приращение Д/_вр = 2,2 Гц при ускорении а — 5 м/с 2 (т. е. при — —

= 22 Гц/с), составит 0,1 с. По истечении времени примерно ЗТ₂— = 0,12 с свободная составляющая тока ротора практически снизится до нуля и в конце переходного процесса момент и скольжение двигателя будут определяться точкой Б на статической характеристике /. Так как свободная составляющая тока ротора, избыточный момент двигателя и ускорение ротора при подходе к точке Б постепенно снижаются до

нуля, то за время переходного процесса момент двигателя в действительности определяется не характеристикой 2, а кривой 2′. Поэтому Д/яр составит не более 1,5 Гц и кратковременное (на время ие более 0,1 с) приращение окружной скорости колес не превысит 1-1,2 км/ч.

Нанесенная на рис. 11.15 кривая 3 для К_л = 0,56 соответствует ускорению а = 13 м/с* (при — = 56 Гц/с), которое существенно

превышает ускорение боксующих осей, отмеченное в эксплуатации. Теоретически ускорение такой величины возможно при мгновенном уменьшении коэффициента сцепления с 0,33 до 0,1, начальном моменте двигателя 11,3 кН-м и моменте инерции У_с = 90 кг-м 2 . Для характеристики 3 получаем: Д/_Вр = 3,2 Гц, До=2,5 км/ч, усредненное значение жесткости Хр — 35 кН-ч/км и %р = 1,4 с/м. Следовательно, и для характеристики 3 выполняется условие х? >Хсц-

В экспериментах на электровозе ВЛ80 а при наездах на замасленные рельсы зафиксированные значения приращения окружной скорости колес были меньше 1 км/ч. Это свидетельствует о том, что благодаря высокой жесткости тяговой характеристики АТД фактическое значение линейного ускорения колес при срыве сцепления ниже принятого в расчете значения 5 м/с 2 и динамическая характеристика меньше отличается от статической, чем кривая 2 от кривой 2′.

Известно, что высокими противобоксовочными и тяговыми свойствами обладают локомотивы при независимом возбуждении двигателей постоянного тока. Они имеют жесткость тяговой характеристики 0,6-1 с/м. Как показано на примере асиихроиного двигателя НБ-602, при линейном ускорении колес больше 10 м/с 2 его тяговая характеристика имеет жесткость не менее 1,4 с/м и по данному показателю он превосходит двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Следовательно, асинхронный привод обладает лучшими противобоксовочными свойствами (при срыве сцепления колеса с рельсом изменение частоты вращения двигателя незначительно).

Вместе с тем в процессе испытаний опытного электровоза ВЛ80 а -751 обнаружено, что при срыве сцепления колеса с рельсом происходит периодическое изменение частоты вращения ротора (изменяется и его абсолютное скольжение), сопровождающееся значительными колебаниями тока АТД. Таким образом, возникновение колебаний тока АТД служит сигналом о работе двигателя на пределе по сцеплению. Эти колебания проявляются в фазном токе /, двигателя и во входном токе 1_а инвертора и имеют низкую частоту (3-=-10 Гц). Указанные колебания тока могут быть легко выявлены. Это позволяет создать быстродействующие датчики обнаружения срыва сцепления на подвижном составе с АТД.

Для ограничения амплитуды колебаний токов, силы тяги АТД и для восстановления условий сцепления целесообразно кратковременно снизить напряжение на двигателе и произвести подачу песка. На электровозе ВЛ80 а -751 для быстрого уменьшения напряжения, подводимого к АТД, было использовано устройство импульсной токовой отсечки, которое при срабатывании прекращало поступление импуль-

Рис. 11.17. Осциллограммы процессов срыва сцепления при наезде иа замасленные рельсы без подачи песка (а) и при автоматической подаче песка (б)

сов управления на тиристоры выпрямителя. При этом выпрямитель переводился в «буферный» режим и выпрямленное напряжение на входе инвертора кратковременно снижалось до нуля. Запаздывание срабатывания токовой отсечки (при включении и отключении) ие превышало одного полупериода напряжения питающей сети (50 Гц).

Оценку поведения асинхронного тягового привода при срыве сцепления осуществляли путем выявления по осциллограммам колебаний силы тяги относительно начального ее значения перед срывом сцепления. Наиболее характерным показателем в режиме срыва сцепления является минимальное значение силы тяги Р_т1а, которое характеризует провал силы тяги после срыва сцепления. Осциллограмма, показанная на рис. 11.17, а, характеризует процесс срыва сцепления при наезде на масляное пятно без подачи песка. Работает устройство токовой отсечки, реагирующее на колебания фазных токов АТД; частота тока статора составляет около 7 Гц. На осциллограмме зафиксироваиы колебания выпрямленных токов четырех АТД одной секции электровоза и колебания силы тяги, причем А_т|„ составляет примерно 0,5 начального значения Р.

Эксперименты показали также, что использование устройства автоматической подачи песка (при возникновении колебаний токов АТД) обеспечивает эффективное гашение колебательного процесса при срыве сцепления, уменьшение провала силы тяги и быстрое восстановление сцепления. Эффективность совместной работы устройств токовой отсечки и автоматической подачи песка была проверена в экспериментах, во время которых масло подавалось под оба колеса первой по ходу колесной пары электровоза по шлангам из кабины машиниста. Осциллограмма срыва и восстановления сцепления для этого случая приведена на рис. 11.17, б. Поскольку на локомотиве с АТД при срыве сцепления линейная скорость осей увеличивается незначительно, то при подаче песка примерно через 0,5 с сцепление было восстановлено, колебания токов и силы тяги были прекращены. Сила тяги достигла своего первоначального значения /¦’.

Выполненные на электровозе ВЛ80 а -751 экспериментальные исследования показали, что в режимах срыва сцепления (в том числе при подаче масла под переднюю колесную пару) на локомотиве с АТД использование несложных устройств, реагирующих на колебания тока двигателя, позволяет быстро восстановить сцепление при небольшом провале силы тяги. Увеличение линейной скорости колесных пар при срыве сцепления не превышает 0,5 км/ч. При рациональном выполнении устройств регулирования частоты и защиты локомотив с АТД обладает высокими противобоксовочными свойствами и по данному показателю превосходит локомотивы с традиционными системами тягового электропривода.

ВЫБОР СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ТРАКТОРА И ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Полный текст:

• Аннотация
• Об авторах
• Список литературы
• Cited By

Аннотация

В настоящее время ведутся работы по созданию тракторов (как колесных, так и гусеничных) с электромеханической трансмиссией. От вида механической характеристики тягового электродвигателя трактора, оборудованного электромеханической трансмиссией, зависит диапазон изменения передаточного отношения трансмиссии при помощи тягового электродвигателя: если диапазон достаточно большой, то можно свести к минимуму число передач в коробке передач трактора или вообще ее не использовать. Тип применяемого тягового электродвигателя и способ регулирования им определяют вид механической характеристики (семейства характеристик) тягового электродвигателя.

В статье рассматривается тяговый асинхронный электродвигатель с частотным управлением. При частотном управлении регулировать обороты электродвигателя можно совместным изменением напряжения и его частоты. Существуют различные законы совместного изменения напряжения и частоты (законы регулирования). Выбор закона регулирования влияет на вид механической характеристики тягового электродвигателя. Применение какого-либо закона может быть допустимо лишь для определенного диапазона частоты напряжения, при выходе за который могут быть превышены какие-либо параметры (например, допустимое напряжение в обмотке статора электродвигателя). Для тягового электродвигателя трактора необходимо обеспечить требуемый момент в широких пределах. При этом потери в электродвигателе должны быть минимальными. Потери в роторе тягового асинхронного электродвигателя прямо пропорциональны его скольжению, а наилучшие тягово-динамические свойства мобильной машины будут при сохранении скольжения постоянными. По этим причинам выбор законов регулирования произведен для работы тягового асинхронного электродвигателя при номинальном скольжении, а механическая характеристика при номинальном скольжении условно названа номинальной характеристикой.

Проанализированы возможные законы совместного применения напряжения и его частоты и границы их применения. Подобрана комбинация законов для регулирования тягового асинхронного электродвигателя, обеспечивающая наиболее широкий диапазон его работы с высоким значением момента при номинальном скольжении с учетом ограничений по применению каждого из использованных законов регулирования. Для тягового асинхронного электродвигателя, регулируемого по предложенному закону, построено семейство механических характеристик: при номинальном скольжении, при критическом скольжении, при изменяющемся скольжении и без изменения напряжения и частоты.

Ключевые слова

Об авторах

Кандидат технических наук, доцент

Список литературы

1. Сыромятников, И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / И. А. Сыромятников; под ред. Л. Г. Мамиконянца. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 240 с.

2. Кацман, М. М. Электрические машины : учеб. / М. М. Кацман. – М.: Высш. шк., 2000. – 463 с.

3. Дементьев, Ю. Н. Автоматизированный электропривод : учеб. пособие / Ю. Н. Дементьев, А. Ю. Чернышев, И. А. Чернышев. – Томск : Из-во Томского политехн. ун-та, 2009. – 224 с.

4. Вешеневский, С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе / С. Н. Вешеневский. – М. : Энергия, 1977. – 432 с.

5. Масандилов, Л. Б. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей / Л. Б. Масандилов, В. В. Москаленко. – М. : Энергия, 1978. – 96 с.

6. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств / И. С. Ефремов [и др.]. – М. : Энергия, 1976. – 256 с.

7. Трактор-3023 [Электронный ресурс] // Официальный интернет-портал ПО «Минский тракторный завод». – Режим доступа: http://www.belarus-tractor.com/ru/ main. aspx? guid=45893mode=fullinfo. – Дата доступа: 08.04.2013.

8. Копылов, И. П. Электрические машины: учеб. Для вузов / И. П. Копылов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 360 с.

9. Вольдек, А. И. Электрические машины: учеб. / А. И. Вольдек. – Л. : Энергия, 1978. – 832 с.

10. Белоусов, Б. Н. Колесные транспортные средства особо большой грузоподъемности. Конструкция. Теория. Расчет / Б. Н. Белоусов, С. Д. Попов. – М. : Изд-во МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2006. – 728 с.

Для цитирования:

Жданович Ч.И., Калинин Н.В. ВЫБОР СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ТРАКТОРА И ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ. НАУКА и ТЕХНИКА. 2015;(3):60-64.

For citation:

Zhdanovich Ch.I., Kalinin N.V. SELECTION OF METHOD FOR REGULATION OF TRACTOR PROPULSION ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR AND CONSTRUCTION OF MECHANICAL CHARACTERISTICS. Science & Technique. 2015;(3):60-64. (In Russ.)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Асинхронные тяговые двигатели

Содержание материала

• Асинхронные тяговые двигатели
• Режимы нагрузок асинхронных тяговых двигателей
• Требования эксплуатации к характеристикам асинхронных тяговых двигателей
• Формирование вращающейся МДС статорной обмотки
• Требования к параметрам асинхронных тяговых двигателей
• Преобразователи частоты
• Основные требования к элементной базе преобразователей частоты
• Способы повышения энергетических показателей ЭПС
• Выходные преобразователи на основе автономных инверторов напряжения
• Амплитудный и широтно-импульсный способы регулирования выходного напряжения инвертора
• Особенности конструкции асинхронных тяговых двигателей
• Особенности проектирования асинхронных тяговых двигателей
• Электромагнитные процессы в силовых цепях ЭПС
• Спектральный состав токов и напряжений на выходе преобразователей частоты
• Устойчивость работы тяготей асинхронной машины в генераторном режиме
• Перевод асинхронной машины в генераторный режим
• Система регулирования частоты
• Система регулирования напряжения
• Защита полупроводниковых преобразователей от перенапряжений и сверхтоков
• Отечественный опыт создания электровозов с асинхронными тяговыми двигателями
• Зарубежный опыт создания ЭПС

Стремление использовать простейшую электрическую машину — асинхронный короткозамкнутый двигатель — связано со всей историей развития электрической тяги. Однако вопрос о широком внедрении асинхронных тяговых двигателей был поставлен только после появления силовых полупроводниковых управляемых приборов — тиристоров. Бурное развитие полупроводниковой техники служит залогом успеха в широком распространении электроподвижного состава (ЭПС) с асинхронными тяговыми двигателями, начавшемся в 70-е годы.
На первом отечественном электровозе ВЛ80 с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) были использованы тиристоры ТЛ200 на ток 200 А и рабочее напряжение 800 В. Созданы и используются тиристоры на токи до 2500 А и рабочее напряжение до 4500 В. На каждый тяговый двигатель электровоза ВЛ80 приходилось около 180 тиристоров ТЛ200. По мере развития производства тиристоров для одного тягового двигателя в инверторном звене будет использовано 6—12 тиристоров. Если масса тиристорного преобразователя, приходящаяся на 1кВ-А мощности, составляла вначале 5—8 κγ/(κΒ·Α), то у более совершенного электровоза Е-120 этот показатель составляет 1,05 κγ/(κΒ·Α). Еще более разительны успехи в развитии элементной базы систем управления—микроэлектроники. Интегральные схемы и микропроцессоры резко упрощают устройства систем управления и повышают их надежность. В этой области темпы развития таковы, что каждые 5—10 лет появляется новое поколение приборов.
Преобразователи многих типов требуют принудительной коммутации тиристоров, что связано с необходимостью усложнения схемы преобразователя и использования конденсаторов, масса которых пока значительна. Разрабатываются и уже используются тиристоры нового типа, запираемые по управляющему электроду. Их широкое применение позволит резко снизить массу преобразователей, приходящуюся на единицу мощности, упростить их и повысить надежность.
Таким образом, имеется достаточно предпосылок для широкого внедрения асинхронного тягового привода как на железнодорожном, так и на городском транспорте.
При использовании в электрической тяге асинхронного тягового привода могут быть реализованы следующие преимущества:

1. значительное упрощение тягового двигателя по сравнению с коллекторным и повышение его надежности (отпадает необходимость ежедневного осмотра коллекторно-щеточного узла);
2. повышение надежности кузовного электрического оборудования вследствие применения бесконтактных устройств преобразования мощности;
3. улучшение тяговых свойств электровозов благодаря использованию жесткой тяговой характеристики при боксовании. Имеются опытные результаты, показывающие возможность увеличения коэффициента сцепления на 20—40% [1);
4. увеличение мощности и момента тягового двигателя при тех же габаритных размерах (отсутствуют коллектор, обмотки добавочных полюсов и компенсационная);
5. возможность полной автоматизации режима ведения поезда;
6. повышение производительности ЭПС вследствие реализации преимуществ по пп. 3—5;
7. сокращение расхода меди на изготовление тяговых двигателей. По результатам проектирования последних образцов коллекторных тяговых двигателей пульсирующего тока и асинхронных тяговых двигателей расход меди на изготовление последних снижается в 2—2,5 раза.

Перечисленные преимущества не оставляют сомнений в целесообразности широкого внедрения асинхронных тяговых двигателей в электрической тяге. Имеющийся опыт проектирования и работы ЭПС с названными двигателями полностью подтверждает это.

Преимущества и недостатки асинхронного двигателя

Подавляющее большинство электродвигателей, используемых в промышленности – асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В новом оборудовании их доля составляет более 95%, остальное – серводвигатели, шаговые двигатели, щеточные двигатели постоянного тока и некоторые другие специфические виды приводов.

Преимущества асинхронного двигателя

Конструкция. По сравнению с другими типами электродвигателей асинхронный двигатель имеет наиболее простую конструкцию. С одной стороны это объясняется использованием стандартной трехфазной системы электроснабжения, с другой – принципом действия агрегата. Данная особенность обуславливает еще одно важное преимущество — невысокую цену асинхронных приводов. Среди двигателей разных типов одинаковой мощности асинхронный будет самым дешевым.

Подключение. Благодаря тому, что в стандартной трехфазной системе питания фазы сдвинуты на 120°, для формирования вращающегося поля не нужны дополнительные элементы и преобразования. Вращение поля внутри статора и, как следствие, вращение ротора обусловлены самой конструкцией асинхронного двигателя. Достаточно обеспечить подачу напряжения через коммутационный аппарат (контактор или пускатель), и двигатель будет работать.

Эксплуатация. Затраты на эксплуатацию асинхронного электродвигателя крайне малы, а обслуживание не представляет никаких сложностей. Нужно лишь время от время проводить чистку от пыли и по необходимости протягивать контакты подключения. При правильной установке и эксплуатации двигателя замена подшипников производится раз в 15-20 лет.

Недостатки асинхронных двигателей

Скорость вращения ротора. Скорость вращения вала двигателя зависит от частоты питающей сети (стандартные значения в промышленности – 50 и 60 Гц) и от количества полюсов обмоток статора.

Это можно считать недостатком в том случае, когда необходимо в процессе работы менять скорость вращения. Для решения данной проблемы были разработаны многоскоростные асинхронные двигатели, у которых имеется возможность переключения обмоток.

Кроме того, в современном оборудовании управление скоростью реализуется за счет преобразователей частоты.

Скольжение. Эффект скольжения проявляется в том, что частота вращения ротора всегда будет меньше частоты вращения поля внутри статора. Это заложено в принцип работы асинхронного двигателя и отражено в его названии. Скольжение также зависит от механической нагрузки на валу.

При необходимости скольжение можно скомпенсировать, а скорость вращения сделать независимой от нагрузки при помощи преобразователя частоты.

Величина напряжения питания. В сырых и влажных помещениях, где действуют повышенные требования к электробезопасности, применение асинхронного электродвигателя может быть невозможным. Дело в том, что из-за конструктивных особенностей такие двигатели практически не производятся на напряжение питания менее 220 В. В таких случаях применяют приводы постоянного тока, рассчитанные на напряжение 48 В и менее, либо используют гидравлические или пневматические приводы.

Чувствительность к напряжению питания. При отклонении напряжения питания более чем на 5% параметры двигателя могут отличаться от номинальных, а сам агрегат может перегреваться. Кроме того, при понижении напряжения падает момент электродвигателя, который квадратически зависит от напряжения.

При использовании преобразователя частоты скорость вращения меняется путем изменения величины и частоты питающего напряжения. Принципиально, что отношение напряжения к частоте должно быть константой.

Пусковой ток. Большой пусковой ток – проблема асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт. При пуске ток может превышать номинальный в 5-8 раз и длиться несколько секунд. Из-за этого негативного эффекта мощные двигатели нежелательно подключать напрямую.

Чаще всего для понижения пускового тока применяют схему «Звезда-Треугольник», устройства плавного пуска и преобразователи частоты. Также можно использовать асинхронные двигатели с фазным ротором.

Пусковой момент. В силу электрических и механических переходных процессов в момент пуска двигатель обладает крайне низким КПД и большой реактивностью. Из-за низкого пускового момента привод может не справиться с началом вращения тяжелых механизмов. Этот же недостаток приводит к нагреву двигателя при пуске. Отсюда возникает другая проблема – ограничение количества пусков в единицу времени.

При использовании частотного преобразователя момент при пуске и на низких частотах может быть увеличен за счет повышения напряжения.

Вывод

Плюсы асинхронных двигателей значительно перевешивают минусы. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска.