Системы управления ЭПС - Системы управления ЭПС с бесколлекторными тяговыми двигателями

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭПС С БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Сравнение показателей асинхронных и коллекторных тяговых двигателей

Лучшие показатели асинхронного тягового двигателя (АТД) по сравнению с коллекторным (табл. 5.1) объясняются значительным упрощением конструкции ротора, отсутствием коллектора, возможностью уменьшения воздушного зазора.

Преимущества АТД по сравнению с коллекторными двигателями:

1. снижение расхода меди примерно в 2 раза;
2. снижение трудоемкости изготовления и затрат на его обслуживание и ремонт;
3. возможность выполнения двигателя более высокой мощности в заданных габаритах;
4. более высокий КПД;
5. уменьшение воздействия тягового подвижного состава на путь вследствие снижения массы двигателя (при равной мощности с коллекторным двигателем);
6. упрощение технического обслуживания (ремонта требуют только подшипники и изоляция), снижение эксплуатационных затрат.

Сравнение показателей асинхронных и коллекторных тяговых двигателей

Недостатки.
1) необходимость питания бесколлекторных ТЭД через полупроводниковый преобразователь напряжения и частоты приводит к увеличению стоимости привода и его массогабаритных показателей, необходимо также учитывать потери в преобразователе;
2) несинусоидальность выходного напряжения преобразователя создает дополнительные потери в электрооборудовании, помехи в устройствах связи и автоматики, пульсацию вращающего момента двигателя.
Из табл. 5.2 видно, что отечественные электровозостроители удерживали первенство по ЭПС с асинхронным приводом до 1971 г., а затем уступили его зарубежным фирмам. Аналогичное положение сложилось и по ЭПС с вентильным приводом. Объясняется это достижениями зарубежных производителей полупроводниковых приборов.

5.2 Характеристики асинхронных ТЭД при частотном регулировании

Закон Костенко.

Как известно, частота вращения ротора асинхронного двигателя п2 равна:
(5.1)
и определяется частотой питающего напряжения f 1 , числом пар полюсов р1 и скольжением s. 

Таблица 5.2
Хронология бесколлекторного привода

Таким образом, для регулирования скорости движения ЭПС с асинхронным тяговым приводом (АТД) достаточно регулировать частоту/). Сложнее обстоит дело с регулированием силы тяги, которая пропорциональна электромагнитному моменту АТД, определяемому по формуле:

Формулу (5.5) получил в 1925 г. М.П. Костенко, впоследствии профессор Ленинградского Политехнического института, действительный член Академии наук СССР, директор института электромеханики Академии наук СССР.
Закон Костенко справедлив:

1. при синусоидальном напряжении;
2. при отсутствии насыщения магнитной цепи (пренебрежимо малый ток холостого хода);
3. при пренебрежимо малом падении напряжения на r1 и (в цепи статора);
4. при постоянстве частоты скольжения , которая не превышает критическую.

Рис. 5.1. Характеристики АТД при частотном регулировании
Последнее условие обеспечивает практическое постоянство КПД, cosφ и перегрузочной способности при работе на разных частотах f1. Из формулы (5.5) следует, что для регулирования вращающего момента АТД необходимо одновременно изменять напряжение питания и его частоту/). Режимы частотного регулирования определяются требуемой зависимостью момента М от частоты вращения ротора, пропорциональной частоте/).
Рассмотрим частные случаи закона Костенко для различных условий работы, которые определяются видом нагрузки и наличием ограничений. При тяговой нагрузке, особенно при пуске, желательно иметь постоянный момент на валу ТЭД, не зависящий от частоты вращения.
Графические зависимости для тяговой нагрузки и ограничений по мощности и напряжению изображены на рис. 5.1.
Для мотор-насосов при ламинарном движении жидкости момент должен быть пропорционален частоте. Для мотор-вентиляторов вращающий момент должен быть пропорционален квадрату частоты.
Формулы для частных случаев закона Костенко приведены в табл. 5.3.

Особенности параллельной работы АТД.

Независимо от применяемого способа регулирования частоты f1 справедливо соотношение

где ω2 — скорость вращения ротора; fs — частота скольжения (частота в обмотке ротора).
Знаки ± соответствуют двигательному и генераторному режимам.
При групповом питании нескольких АТД от одного инвертора f1 будет одинакова для всех АТД. Но, учитывая возможную разницу в диаметрах бандажей 10 мм, разница в скоростях вращения свободно катящихся колесных пар может достигать 1 %.

Частные случаи закона Костенко

Общее регулирование частоты АТД улучшает тяговые свойства электровоза, предотвращая разносное боксование. При этом целесообразно:

1. питать АТД каждой тележки от общего автономного инвертора (АИ);
2. регулирование частоты f1 производить с измерением частоты вращения колесной пары меньшего диаметра. При этом разница в нагрузках колесных пар получается в 1,5 раза меньше. А в случае срыва сцепления боксовать будет только одна наиболее нагруженная колесная пара.

Выводы:

1. Для того чтобы при частотном управлении потери в ТЭД не превысили допустимых значений, необходимо, чтобы частота в роторе. При этом скорость электровоза V пропорциональна f1.
2. При частотном регулировании используется закон Костенко

.
Закон Костенко справедлив при следующих допущениях:
а);
б)   магнитная цепь не насыщена;
в)   падение напряжения на активном сопротивлении и индуктивности рассеяния статора пренебрежимо малы;
г)   частота скольжения в роторе постоянна и не превышает критической.

1. При пуске электровоза требуется выдержать F = const. Это

Структурные схемы силовой цепи ЭПС с асинхронным тяговым приводом

Структура силовой цепи ЭПС с асинхронным тяговым приводом (АТП) зависит от рода тока в контактной сети и используемых типов полупроводниковых преобразователей.
Для ЭПС постоянного тока возможны два варианта структурных схем с автономными инверторами тока (АИТ) и напряжения (АИН) (рис. 5.2, а и 5.2, б).
АИТ позволяет регулировать только частоту f1, а для регулирования напряжения U1 необходимо использовать импульсный регулятор напряжения (ИРН). Для сглаживания напряжения на входе и выходе ИРН используется фильтр (Ф).
Схема рис. 5.2, а реализована на электропоезде ЭТ2А. В схеме рис. 5.2, б регулирование напряжения и частоты f1 производится в автономном инверторе напряжения. Такая схема использована на опытных поездах петербургского метрополитена и трамвая.

Рис. 5.2. Структурные схемы АТП для контактной сети постоянного тока

Рис. 5.3. Структурные схемы АТП для контактной сети переменного тока

 На ЭПС переменного тока общим элементом является трансформатор Тр. На ЭПС с АИТ для регулирования напряжения применен управляемый выпрямитель ВУ. На электропоездах ЭН-3 в качестве ВУ использована схема двухзонного фазового регулирования (рис. 5.3, а).

В остальных вариантах структурных схем используется АНН. На первом опытном электровозе с асинхронными двигателями ВЛ80А-751 напряжение неуправляемого выпрямителя В регулировалось контактным переключателем КП (рис. 5.3, б). На электровозе Е1200 германской фирмы AEG был использован неуправляемый выпрямитель с импульсным регулятором напряжения (рис. 5.3, в).
На современном ЭПС наиболее распространен вариант с четырехквадрантным преобразователем 4qS (рис. 5.3, г), примененный на электровозах Е120, скоростном электропоезде ICE, на электровозе ВЛ86Ф-001, а также на многих современных электровозах с асинхронным приводом. 4qS-преобразователь позволяет регулировать напряжение и частоту на АТД, поддерживать коэффициент мощности близким к единице и осуществлять рекуперативное торможение.
Работа различных вариантов структурных схем будет рассмотрена далее.