Асинхронные тяговые двигатели - Формирование вращающейся МДС статорной обмотки

Формирование вращающейся МДС статорной обмотки асинхронного двигателя, питающегося от преобразователя частоты
Для формирования кругового вращающегося поля у машин переменного тока обмотка статора должна быть симметричной и по фазам ее должен протекать симметричный синусоидальный ток или симметричный несинусоидальный ток, у которого может быть выделена основная гармоника тока, значительно преобладающая над высшими гармоническими тока. Полупроводниковый преобразователь частоты должен удовлетворять последнему требованию. Значительное приближение к синусоидальной форме фазного тока обычно требует существенного усложнения преобразователя.
Рассмотрим возможности формирования вращающейся МДС статорной обмоткой асинхронного тягового двигателя. На вход преобразователя частоты (рис. 1.5, а) подводится мощность постоянного тока с напряжением Ud и током Id. Для формирования вращающейся МДС статорной обмотки надо в определенной последовательности пропускать ток через тиристоры VS1 — VS6. Ток Id, проходя через тиристоры VS3 и У52, будет обтекать фазы А и В (МДС Fa и Fв), обеспечивая направление вектора результирующей МДС обмотки статора F1, показанное на рис. 1.5, а. Переключив ток Id с фазы В на фазу С, открытием тиристора 6 и закрытием тиристора 2 обеспечивается поворот вектора МДС обмотки до положения F и т. д.
Идеализированная форма фазного тока представлена в нижней части рис. 1.5, б. Такая форма фазного тока имела бы место, если бы ток Id не имел пульсаций и коммутация тока происходила бы мгновенно. Как следует из рис. 1.5, а, для этого способа формирования вращающейся МДС F1 характерно протекание тока по любой фазе в течение 2/3 полупериода или в интервале 0—120°; в течение 1/3 полупериода ток в рассматриваемой фазе отсутствует.

Рис. 1.5. К вопросу формирования МДС обмотки статора при инверторе тока (а) и напряжения (б)
Из кривой фазного тока может быть выделена основная гармоника, частота которой зависит от частоты переключения тока тиристорами и может изменяться плавно, что обеспечивается системой регулирования преобразователя. Основная гармоника тока (штриховая линия на рис. 1.5, а) преобладает над высшими гармониками тока, что позволяет получить значительный электромагнитный момент.
Таким образом, рассмотренный способ формирования вращающейся МДС в принципе удовлетворяет условиям, предъявляемым к тяговому электрическому приводу.
Преобразователь, формирующий МДС обмотки описанным способом, принято называть инвертором тока. В нем формируется фазный ток статорной обмотки заданной формы, а форма напряжения в значительной мере повторяет форму фазных ЭДС. Поскольку последние по форме близки к синусоиде, то форма напряжения близка к синусоиде. На ней лишь имеются характерные для инвертора тока пики перенапряжений, обусловленные коммутационным процессом. Для инвертора тока необходим индукционный накопитель энергии в виде сглаживающего реактора.
Второй способ формирования вращающейся МДС статорной обмотки асинхронного двигателя поясняется рис. 1.5, б. Положение вектора МДС обмотки F1 может быть обеспечено, если полный ток Id пропускать по фазе А, а по фазам В и С — по половине его. При этом должны быть открыты тиристоры VS3-2 и 6. Если далее через фазу С пропускать полный ток Id, через фазу А — половину тока Id прежнего направления, а в фазе В изменить направление тока, то вектор МДС обмотки займет положение F. При этом должны быть открыты тиристоры 6-3-I. Соблюдая определенную очередность открытия тиристоров и обеспечив коммутацию тока в них, можно получить вращающуюся МДС статорной обмотки, необходимую для создания электромагнитного момента.
Идеализированная форма фазного тока в этом случае будет иметь вид, представленный в нижней части рис. 1.5, б. Такая форма тока могла бы иметь место при отсутствии пульсаций тока Id и отсутствии индуктивности фаз статорной обмотки. Эти условия могут быть достигнуты, например, при малых частотах питающего асинхронный двигатель фазного напряжения.
Преобразователь, формирующий вращающуюся МДС рассмотренным способом, принято называть автономным инвертором напряжения. Для обеспечения нормальной его работы необходим емкостный накопитель энергии (конденсатор Сф). Кроме того, нужны диоды обратного тока VD1 — VD6, которые обеспечивают протекание фазного тока в конце полупериода в прежнем направлении после завершения коммутации главного тиристора. Необходимость использования диодов VDI — VD6 связана с наличием реактивной мощности асинхронных тяговых двигателей и отставанием фазного тока от фазного напряжения.
Как видно из рис. 1.5, б, первая гармоника тока (штриховая линия) значительно преобладает над высшими гармониками, поэтому благоприятные условия для создания электромагнитного момента имеются.
Таким образом, второй способ создания вращающейся МДС статорной обмотки также приемлем для тягового электрического привода. Сопоставление преобразователей частоты обоих типов — инвертора тока и инвертора напряжения — дано в главах 5 и 6.