Управление асинхронными тяговыми электродвигателями

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется выражением, как уже было отмечено

ω_ад = (1 – S)·f_ад/ p_ад, (7.3.)

где f_ад – частота напряжения питания статорной обмотки асинхронного двигателя,

р_ад – число пар полюсов статорной обмотки асинхронного двигателя,

S – скольжение.

Для плавного регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя необходимо изменять в широких пределах частоту напряжения, питающего обмотку статора.

Известно, что магнитный поток в воздушном зазоре

Ф ≈ U_ад / с · w · f_ад, (7.4.)

где U_ад – напряжение питания обмотки статора асинхронного двигателя,

w – число витков фазы статорной обмотки асинхронного двигателя,

с – постоянный коэффициент.

Для сохранения магнитного потока неизменным, помимо частоты f_ад, необходимо в той же степени изменять и напряжение U_ад питания обмотки статора асинхронного двигателя.

При этом должно выдерживаться соотношение М.П.Костенко

U_ад1/U_{ад ном} = f_ад1/f_{ад ном}·(M_ад1/M_{ад ном} )^1/2, (7.5.)

где U_ад1 – текущее значение напряжения питания статорной обмотки,

f_ад1– текущее значение частоты питающего напряжения,

M_ад1 – текущее значение вращающего момента на валу асинхронного двигателя,

U_{ад ном}, f_{ад ном}, M_{ад ном} – номинальные значения соответственно напряжения, частоты питающего напряжения и вращающего момента на валу асинхронного двигателя.

Кроме этого, при работе асинхронных двигателей в качестве тяговых должны выполняться дополнительные условия.

1. При трогании локомотива асинхронный двигатель должен реализовать пусковой момент, соответствующий по величине (1,3÷1,5) M_{ад ном}. В период разгона должно обеспечиваться постоянство вращающего момента M_ад1 = const, и тогда подводимое напряжение должно изменяться пропорционально частоте

U_ад1/U_{ад ном} = f_ад1/f_{ад ном} = const, (7.5.)

2. При движении локомотива с рабочими скоростями должно выполняться условие поддержания постоянства мощности асинхронного двигателя Р_ад = const. Для этого вращающий момент должен изменяться обратно пропорционально скорости вращения вала асинхронного двигателя или частоте подводимого напряжения, а напряжение – изменяться в соответствии с выражением

U_ад1/U_{ад ном} = ( f_ад1/f_{ад ном})^1/2. (7.6.)

Таким образом, тяговый преобразователь должен обеспечивать раздельное регулирование в широких пределах как частоты питающего напряжения, так и напряжения на зажимах обмотки статора асинхронного двигателя.

Рассмотрим, как происходит формирование скоростных характеристик асинхронного двигателя. Моментная характеристика асинхронного двигателя имеет вид, представленный на рис. 7.4. Рабочий участок характеристики показан сплошной линией. Номинальному режиму работы асинхронного двигателя соответствуют номинальные значения вращающего момента М_ад и скорости вращения вала ω_ад.

Пусть исходной точке на моментной характеристике соответствует вращающий момент, равный 0,5М_{ад ном}, скорость вращения вала ω_ад1 = 1390 мин^-1, напряжение на статорной обмотке U_ад1 = 500В и частота питающего напряжения f_ад1= 70Гц (см. рис. 7.5). Для уменьшения скорости вращения вала асинхронного двигателя, например до 980 мин^-1, необходимо уменьшить частоту напряжения до 50Гц при неизменном напряжении U_ад1 = 500В. И наоборот, для увеличения скорости вращения вала, например до 1980 мин^-1, необходимо при U_ад1 = 500В увеличить частоту напряжения до 100Гц. При этом вращающий момент также изменится. В первом случае он увеличится до М_адном, во втором – снизится до 0,25М_{ад ном}. Так формируется моментная характеристика асинхронного тягового двигателя, которую по форме приближают к моментной характеристике тягового электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. При увеличении или уменьшении напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя его моментная характеристика смещается в область более высоких или более низких скоростей, но имеет тот же вид. Все это будет справедливым при плавном изменении скорости вращения вала асинхронного двигателя.

Рис. 7.5. Формирование моментных характеристик асинхронного тягового двигателя

При резком изменении скорости вращения вала асинхронного двигателя, например при боксовании колесных пар, характеристики асинхронного двигателя могут быть достаточно жесткими, поскольку в канал регулирования частоты входят инерционные элементы. По этой причине процессы боксования на локомотивах с асинхронными двигателями протекают не так интенсивно и легче поддаются устранению, чем на локомотивах с тяговыми электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением. Одновременным изменением частоты и напряжения в зависимости от закона, по которому взаимно регулируются напряжение и частота, можно получить моментные характеристики любой жесткости.

Структурная схема управления одним асинхронным двигателем может быть представлена в следующем виде.

Сигналы управления тиристорами тягового автономного инвертора формируются системой управления. Текущее значение тока I_ад1 и скорости вращения вала асинхронного тягового двигателя n₁ измеряются датчиками, выходные сигналы которых подаются на входы регуляторов тока и частоты. Заданные в данный момент времени значения тока I_уст и частоты (абсолютного скольжения) f_уствводятся в регуляторы тока и частоты. На вход регулятора частоты вводится сигнал датчика температуры статорных обмоток асинхронного двигателя, поскольку скольжение зависит от температуры обмоток. Изменение уставок I_уст и f_уст на входе регуляторов тока и частоты должно производиться таким образом, чтобы данному значению I_уст соответствовало оптимальное значение f_уст.