Формы фазных токов и напряжений

Идеальная форма фазных токов может быть изображена следующим образом:

· для инвертора тока (рис. 10.1). Этот процесс мы уже рассматривали в вентильном двигателе;

Рис. 10.1. Идеальная форма фазного тока инвертора тока

· для инвертора напряжения (рис 10.2)

Рис. 10.2. Идеальная форма фазного тока инвертора напряжения

Формирование трехфазной системы токов в трехфазной обмотке (рис. 10.2) обеспечивается следующим образом. По одной из обмоток протекает ток , по двум другим ток . Принятие той или иной формы тока неизбежно приведет к созданию вполне определенной аппаратуры управления и инвертора.

В реальных условиях, в последней схеме, так же как и в рассматриваемой ранее, процесс изменения тока будет носить немгновенный характер.

С учетом конечного времени коммутации фазные токи будут иметь для инверторного тока форму, представленную на рис. 10.3.

Рис 10.3. Формы фазных токов и напряжений

Провалы в форме напряжения происходят из-за коммутации токов.

Для инвертора напряжения наиболее вероятную форму фазного тока можно получить наложением кривой фазной эдс на идеализированную форму фазного напряжения (в идеальном случае форма фазной эдс аналогична форме фазных токов). Осциллограммы фазных напряжений и токов двигателя НБ 602 представлены на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Осциллограммы фазных напряжений и токов двигателя НБ 602

Из осциллограмм и предыдущих построений видно, что на несущую гармонику накладываются высшие гармонические составляющие 92…100 Гц.

Любые высшие гармонические составляющие ведут к добавочным потерям. На современном уровне преобразовательной техники можно существенно снизить высшие гармоники тока, введя в преобразователь широтно-импульсную модуляцию напряжения. Однако это заметно усложняет и удорожает конструкцию, снижая кпд привода.

Для идеализированной формы фазного напряжения U_ф спектральный ряд высших гармоник можно определить разложением U_ф в ряд Фурье

.

Параметры высших гармонических составляющих позволяют определить потери искажения формы кривых. Кроме того, они необходимы для определения моментов асинхронных двигателей. Хотелось бы отметить, что содержание высших гармоник не падает по мере увеличения номера гармоники, а носит переменный характер. Отношения напряжения высшей гармоники и основной для двигателя НБ 602 представлены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Отношения напряжения высшей гармоники
и основной для двигателя НБ 602

Номер гармоники
Un/U1	0,95	0,19	0,136	0,86	0,7	0,55	0,5

Таким же образом можно определить гармонический состав токов. Имея такие исходные данные, можно рассчитать электромагнитные моменты.

Электромагнитные моменты в асинхронных тяговых двигателях различаются:

1) на основной постоянный момент от первых гармоник тока и магнитного потока;

2) постоянные моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка;

3) постоянные моменты от высших пространственных гармоник поля;

4) знакопеременные моменты от высших временных гармоник тока и первой гармоники потока.

Момент от первой гармоники тока и потока

,

где р – число пар полюсов; – число фаз и число витков статорной обмотки; – обмоточный коэффициент статорной обмотки; Ф – магнитный поток; – ток ротора, приведенный к обмотке статора; – угол между вектором тока и перпендикуляром к вектору потока Ф.

10.2. Моменты от высших временных гармоник тока
и потока одного порядка

Токи высших гармоник обмотки статора создают магнитные потоки гармоник тех же номеров и соответствующие им токи в обмотке ротора. От взаимодействия токов и потоков одинаковых номеров возникают постоянные моменты, которые действуют как согласно, так и встречно основному моменту, это видно из разложения U_ф в ряд Фурье.

Моменты можно определить аналогично основному моменту

.

Обычно эти моменты невелики, а их суммарный эффект незначителен, поэтому ими пренебрегают.

Моменты от высших пространственных гармоник поля возникают при питании асинхронных двигателей синусоидальным током. Появляются они из-за зубчатой структуры статора. В связи с этим применяют скосы пазов и оригинальные способы регулирования. Допустим, частотное регулирование позволяет почти полностью компенсировать эти моменты. В связи с последним, их как правило, не учитывают.

Знакопеременные моменты от высших гармоник тока и первой гармоники потока в отличие от предыдущих могут быть значительными и определяться как

,

в этом выражении

;

,

где – активные и индуктивные сопротивления статорной и приведенные роторной к статорной обмоток.

Эти моменты наиболее существенны в момент пуска, когда частота питающего напряжения »1 Гц, а частота переменного момента 5…6 Гц. Может наблюдаться раскачивание остова.

Эксперименты показывают, что уменьшения переменного момента при пуске можно добиться, уменьшая амплитуды высших гармоник, либо повышая пусковую частоту.

Коэффициент мощности и кпд

Высшие гармоники тока статора создают потоки рассеяния статорной обмотки, потоки взаимной индукции, обусловливающие ток ротора, в свою очередь вызывающий поток рассеяния роторной обмотки. Эти потоки снижают коэффициент мощности АТД, который определяется

.

В числителе выражения сумма активных мощностей для гармоник от
1-й по 17-ю. В знаменателе – полная мощность асинхронного двигателя от этих гармоник.

С помощью ЭВМ разложить кривые напряжения и тока в ряд Фурье не представляется затруднительным. При этом можно определить как амплитуды гармоник, так и их фазовый сдвиг – относительно первой гармоники.

Коэффициент полезного действия асинхронного тягового двигателя с учетом потерь от всех гармоник:

,

где – подведенная мощность от всех гармоник; , , , – электрические, магнитные, добавочные и механические потери в асинхронном двигателе соответствующих временных гармоник.

Поскольку было установлено, что высшие гармоники практически не участвуют в создании момента, а лишь обусловливают добавочные потери, то без серьезного отклонения от истины можно записать

.

Формула аналогична двигателям постоянного тока за исключением учета числа фаз (множитель 3) и угла между U и (cos ).

10.4. Принцип регулирования асинхронного
тягового двигателя

Независимо от тягового двигателя на ЭПС должны обеспечиваться основные зависимости: тяговые характеристики и характеристики мощности. Причем примерный их вид для обеспечения нормальной работы в режиме пуска и движения должен быть примерно следующий.

Причем точка 1 соответствует номинальной мощности, которая поддерживается до точки 2.

От точки 2 до точки 3, как видно из рисунка, мощность падает, однако это скорее затруднение двигателей постоянного тока чем асинхронных двигателей. Дело в том, что реализация больших мощностей в области высоких скоростей связана с ухудшением условий коммутации и именно этими условиями ограничена.

Так же, как и у коллекторных двигателей (это можно увидеть из приведенного ранее уравнения электромагнитного момента) регулирование может осуществляться с помощью, по крайней мере, двух параметров: питающего напряжения U₁ и частоты f₁, примерно пропорциональной скорости движения. Можно показать графики входных параметров асинхронных тяговых двигателей, характерных для электровоза (рис. 10.6).

Рис. 10.5. Токовые характеристики и характеристики мощности асинхронного двигателя

Рис. 10.6. Параметры асинхронных тяговых двигателей, характерные для электровоза

Применительно к асинхронным нерегулируемым двигателям U₁ = const; f₁ = const и все остальные параметры также постоянны. Асинхронные двигатели призваны работать при широком изменении вращающего момента, напряжения, частоты, потока и т. д. В этих условиях большинство параметров становятся переменными, зависящими от потока, а также от U₁ и частот f₁ и f₂, f₂ – частота скольжения.

Рассмотрим работу асинхронных машин в двигательном режиме (рис. 10.7).

Асинхронной называют машину переменного тока, у которой в установившемся режиме работы основное магнитное поле и ротор вращаются с разными угловыми скоростями (т. е. не синхронно). Принцип действия такой машины основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, созданного неподвижной трех- или многофазной статорной обмоткой, присоединенной к сети с токами, индуктированными этим полем в короткозамкнутой обмотке ротора. Многофазная обмотка статора, обтекаемая переменными токами частоты f₁, образует электромагнит в каждый момент времени, ось которого вращается с угловой скоростью

,

где р – число пар полюсов.

Это магнитное поле увлекает за собой короткозамкнутый ротор, который в двигательном режиме вращается с несколько меньшей угловой скоростью

,

причем

,

где величина и есть скольжение.

Магнитное поле обгоняет ротор с угловой скоростью

и индуктирует в его обмотке эдс, частота которой

или

отсюда

или

.

Из формулы видно, что

f₂ = Sf₁.

Многофазовая обмотка ротора создает вращающиеся магнитное поле с осью F2 за счет поля статора. Это поле вращается вслед за обмоткой ротора с угловой скоростью

,

между этими векторами есть угол . Таким образом, магнитное поле статора вращается в пространстве одновременно с обмоткой ротора, опережая его на некоторый угол (по векторам).

При взаимодействии электромагнитов ротора и статора и возникает момент

или

,

где к – коэффициент, характеризующий конструкционные особенности машины.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать очень важные выводы:

1) основное магнитное поле машины, вращающееся в пространстве с угловой скоростью , создается неподвижной многофазной статорной обмоткой, обтекаемой токами частоты f₁. При этом ток в обмотке статора зависит от нагрузки машины;

2) ротор вращается не синхронно с основным магнитным полем. При этом угловая скорость ротора зависит от нагрузки, т. е. от момента на валу машины;

3) электрическая энергия подводится к асинхронному двигателю только со стороны статора, роторная же обмотка замкнута накоротко и токи в ней индуцируются основным магнитным полем.

А уравнения электромагнитного момента лишний раз это подтверждают, поскольку индуктивные сопротивления зависят от частоты вращения поля статора, а так же от величины скольжения.

Рассмотрим теперь зависимости магнитного потока Ф, эдс Е₁ и частоты тока ротора f₂ от скорости движения (рис. 10.8).

Для сохранения значительной силы тяги в зоне скоростей от 0 до необходимо иметь постоянный наибольший электромагнитный момент. Для того чтобы это реализовать необходимо осуществлять запуск с максимальным магнитным потоком. В конечном счете, должно быть выдержано соотношение

.

Эдс при скоростях, близких к V_ном, мало отличается от напряжения U₁, однако в области малых скоростей это заметно.

Для улучшения процесса пуска желательно сохранить ток неизменным.

При скоростях движения больше Vном мощность может поддерживаться постоянной

,

т. е. магнитный поток будет уменьшаться с ростом частоты. Если же сохранить постоянной частоту вращения ротора, то уменьшение потока приведет к снижению тока в роторной и статорной обмотках, а следовательно, к снижению мощности.

Для пассажирских и грузовых электровозов вопрос поддержания скорости или мощности решается по-разному. Для пассажирских электровозов требуется наращивать мощность и скорость вплоть до Vконстр. Для грузовых электровозов, в соответствии с их тяговой характеристикой, надобности в поддержании мощности вплоть до Vконстр. нет, поэтому можно допустить снижение тока за счет поддержания частоты вращения f2 – const. Имея основные соотношения для асинхронных двигателей, можно, оперируя тремя параметрами, регулировать мощность. Контролируется обычно частота вращения

,

где f₁ – частота вращения поля статора обычно задается такой, чтобы обеспечить необходимое значение f₂ и n. Вторая регулирующая величина U₁.

Для того чтобы оценить регулировочные свойства тяговых асинхронных двигателей приведем еще одно выражение, определяющее электромагнитный момент на валу двигателя, которое отличается от ранее записанных лишь по форме

,

где – коэффициент формы поля.

Последняя дробь в этом выражении есть не что иное, как .

Из приведенного уравнения видно, что один и тот же момент может быть получен для различных сочетаний тока, а значит частоты и магнитного потока

,

что позволяет поддерживать постоянный момент, стремясь к оптимизации по току. Тем самым сокращаются потери.

Широко распространен закон регулирования асинхронного частотно-регулируемого двигателя, установленный академиком М.П. Костенко.

,

где U₁, f₁, М₁ – текущее значение напряжения частоты и вращающего момента; U_1н, f_1н, М_1н – номинальные значения этих же величин.

Из последнего уравнения можно сделать вывод, что для поддержания во всех режимах значительного момента при регулировании частоты f1 необходимо иметь значительный магнитный поток, значение которого обеспечивается подводимым напряжением.

10.5. Статическая устойчивость асинхронных
тяговых двигателей

У нерегулируемых и регулируемых по частоте и напряжению асинхронных тяговых двигателей есть серьезные отличия по условию статической устойчивости. У нерегулируемых двигателей, используемых на ЭПС в качестве приводов вспомогательных машин, оценивают статическую устойчивость как перегрузочную способность по моменту. Эта оценка характеризует М_мах и максимальное скольжение S_мах для двигателя данного типа. Попытка выйти за эти пределы приводит к срыву скольжения «опрокидыванию» двигателя и короткому замыканию.

Как правило, кратность максимального и номинального момента составляют 2…3.

Для частотно-регулируемых асинхронных двигателей критический момент определяется критической частотой вращения ротора f_2к. Причем этот момент может быть даже меньше номинального. Все будет определяться параметрами U₁ и f₁ т. е. статическая устойчивость в данном случае – это характеристика.

Для того чтобы определить максимальное значение момента необходимо взять дифференциал по f₂ от последнего сомножителя в уравнении М_э и приравнять его к «0» чтобы определить максимум этой величины т. е.

,

где r₂ – активное сопротивление стержня роторной обмотки; L_2S – индуктивность стержня.

Получим критическую частоту

. (10.1)

Тогда максимальный момент в зоне разгона может быть определен как

,

учитывая по (10.1), что

и проводя несложные преобразования, получим

,

где N₂ – число стержней обмотки ротора.

Однако для практики важнее иметь следующее соотношение

.

Определив критическое значение по (10.1), можно, имея М_ном и f_2ном, всегда определить М_мах (коэффициент 0,85 получается из уравнения М.П. Костенко в случае когда Ф_мах = 1,17_ном).

Если рассмотреть условия статической устойчивости в зоне скоростей, где f₁ < f_2к, то в этом случае условия определения предельного момента не имеют смысла. Момент в данном случае ограничен превышением температуры от токов. Соотношения критических моментов и скорости для различных значений напряжения приведены на рис. 10.9.

10.6. Особенности конструкции асинхронных
тяговых двигателей

Особенности конструкции асинхронных тяговых двигателей связаны с установкой его на ЭПС. Это предопределяет его конструкцию как по способу крепления, так и по мощности.

Остов асинхронного тягового двигателя имеет круглую форму с элементами крепления тягового двигателя к раме тележки. Корпус выпол­няется из различных, в том числе и аллюминиевых сплавов с ребрами жесткости.

В разрезе асинхронная машина представлена на рис. 10.10.

Для статорной обмотки используют только открытые прямоугольные пазы. Причем есть некоторые особенности в креплении обмотки статора. В асинхронных двигателях желательно использовать магнитные клинья, изготовленные прессованием из различных магнитных материалов. Это позволяет уменьшить коэффициент воздушного зазора и сократить пульсации магнитного потока.

Обмотка статора также имеет некоторые особенности по сравнению с обмотками машин постоянного тока. В статорной обмотке асинхронного двигателя из-за повышенной частоты питающего напряжения, которая, как правило, достигает значений 140 Гц, происходит вытеснения тока к поверхности обмотки и увеличение потерь.

Снижение потерь из-за эффекта вытеснения достигается путем выбора рационального сечения проводника и его расположения в пазу. В асиснхронных двигателях проводники в основном располагаются «плашмя».

Обмотка ротора. На обмотку ротора накладываются серьезные ограничения и предъявляются требования к ее конструкции. Во время пуска нагрев роторной обмотки (впрочем, как и статорной) может быть значительным. Кроме того, крепление обмотки должно быть надежным так как при пуске в холодное время, допустим с температурой –60 °С, за короткое время обмотка нагревается до 100…150 °С. Это очень большой перепад температур. Для улучшения теплоотвода необходимо иметь плотное прилегание стержней роторной обмотки и стенкам. Стержень должен быть упруго закреплен в пазу.

Для асинхронных двигателей мощностью до 300 кВт обычно используют в качестве метода изготовления роторной обмотки, заливку пазов алюминиевым сплавом.

Однако метод заливки обладает существенным недостатком: из-за качества литья образуются раковины, изменяющие сопротивление стержней, а значит и мощность машины. Когда машина используется индивидуально, это не имеет особого значения. А вот на ЭПС, где колесно-моторные блоки подбирают по характеристикам, данный факт приобретает большое значение. В связи с этим, стержни изготавливают заранее, опрессовывают, и закладывают в пазы.

Виды пазов и способы закладки стержней, применяемые в асинхронных двигателях приведены на рис. 10.11.

Обмотка ротора, изображенная на рис. 10.11,а, технологична и обладает эластичностью при входе в коротко замыкающее кольцо. Однако из-за отсутствия упругого элемента в пазу стержни могут ослабляться.

На рис. 10.11,б и 10.11,в изображены стержни, лишенные этих недостатков, но технология их изготовления сложнее.

Рис. 10.11. Виды пазов и стержней

Схематичное изображение обмотки ротора приведено на рис. 10.12.

В заключение несколько слов о воздушном зазоре и вентиляции. Как правило, зазор в АТД меньше чем в двигателях постоянного тока и составляет 2,5…3 мм. Охлаждение аналогично двигателям постоянного тока – это осевая вентиляция с каналами в роторе и статоре.

11. Особенности конструкции и перспективы
применения линейных двигателей

Говоря о современных направлениях в тяговом электромашиностроении нельзя не сказать о линейных тяговых двигателях. В настоящее время на ЭПС применяют различные двигатели. Это и двигатели постоянного тока и вентильные и асинхронные. Но все они обладают одним свойством: передают тяговое усилие на колесную пару. При этом сила тяги ограничена нагрузкой на ось и коэффициентом сцепления

.

Для значительного повышения силы тяги необходимо увеличивать нагрузку на ось, (что нельзя делать беспредельно по условиям прочности пути и оси), или увеличивать коэффициент сцепления, что также в условиях гладких рельсов затруднительно. Кроме того, при наметившейся тенденции увеличения скоростей вопросы взаимодействия колеса и пути встают еще острее. Выход из создавшегося положения может быть найден в использовании линейных асинхронных двигателей ЛНД.

Необходимо отметить, что впервые потребность в ЛАД возникла в ХIХ веке. Однако они не получили распространения из-за массогабаритных показателей. В СССР освоение ЛАД началось примерно в 1920 году с использованием их в ударных установках (электропривод). Это работы М.П. Костенко, Я.С. Япольского. Затем, уже в послевоенное время, ЛАД получили свое дальнейшее развитие в фундаментальных исследованиях Г.И. Штурмана, А.И. Вольдена и ряда других ученых.

Сила тяги, развиваемая линейным асинхронным двигателем, вызывается взаимодействием бегущего поля статора (первичного элемента, уложенного на ЭПС или в пути, и электрическими токами, индуктируемыми в реактивной шине) вторичном элементе, представляющего собой развернутый ротор. То есть по существу это разрезанная асинхронная машина.

Рис. 11.1. Линейный двигатель: 1 – обмотка статора; 2 – обмотка ротора; 3 – вторичный элемент; 4 – первичный элемент

Реальная скорость перемещения определяется как и в АТД – скольжением

;

,

где V₁ – скорость бегущего поля индуктора.

Естественно, что один из элементов должен быть во всю длину участка работы этого двигателя. Поэтому такие машины выполняют либо с коротким первичным, либо с коротким вторичным элементом. И возбуждают только те секции над (или под) которыми проходит ротор. Казалось бы, все просто, но трудность заключается в том, чтобы создать силу не только горизонтального перемещения, но и магнитного подвешивания т.е. поперечную силу. Кроме того, увеличенные зазоры между первичным и вторичным элементом искажают магнитные поля, вызывая несимметрию магнитного потока.

Эту составляющую приходится убирать с помощью дополнительных катушек. Несмотря на сложности, в настоящее время уже созданы опытные образцы подвижного состава с линейными тяговыми двигателями.

12. Вспомогательные машины
и машинные преобразователи