ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ТЯГОВЫЙ ПРИВОД

С точки зрения теории частотного управления тяговый привод интересен как наиболее важный пример частотного привода, в котором управление осуществляется не по угловой скорости, а по мо­менту.

Основоположник частотного управления акад. М. П. Костенко с самого начала считал наиболее важной и масштабной областью использовния частотного управления короткозамкнутыми двигателями электротягу. Возможно, что и сама идея частотного управления ро­дилась у него в поисках решения проблемы электротяги. Но и теперь эта проблема все еще не достигла технико-экономического уровня, необходимого для широкой практической реализации.

В последние годы обстоятельное исследование в этом направ­лении проведено фирмой «АЭГ-Телефупкен» (ФРГ) для двух видов электротяги: моторных вагонов метрополитена с питанием от кон­тактной сети постоянного тока и магистральных электровозов — от однофазной сети переменного тока [53].

Вариант с контактной сетью постоянного тока был исследован па опытном сдвоенном моторном вагоне метрополитена Западного Берлина.

На рис. 5.2 показана упрощенная схема электропривода. Автэ - номный инвертор тока 1 имеет номинальную мощность 775 кВ-А, 560 В, 800 А. Типовая (габаритная) мощность при максимальном входном напряжении по'стояниого тока 900 В составляет 930 кВ-А. Все оборудование трехфазного электропривода с восемью тяговыми двигателями размещено под полом двух вагонов — ведущего, с глав­ным силовым оборудованием, и ведомого — с вспомогательным.

Автономный инвертор тока по простой схеме рис. 3.59 питает от контактной сети через сетевой фильтр LC восемь двигателей, соеди­ненных параллельно по четыоа ча каждом вагоне.

Управление поездом осуществляется с пульта посредством функ­ционального задатчика 2, который выдает командное воздействие Мл, задающее момент двигателя. Это воздействие сравнивается в регу­ляторе момента 3 с фактическим значением момента на валу дви­гателей, которое вычисляется приближенно, с пренебрежением поте­рями в измерительном блоке 4, по первичной электрической мощности двигателей и скорости ц>, измеряемой тахогенератором 5. Для вычис­ления момента в блок 4 вводятся сигналы трех линейных токов /я, двух линейных напряжений Un и угловой скорости ш. Сигнал вы­численного момента поступает в блок регулятора 3, который вычис­

ляет и выдает два управляющих воздействия — амплитуду тока 1,п и частоту ротора /г, соответственно в блоки 6 и 7. В блоке 7 по ча­стоте ротора и угловой скорости ео вычисляется первичная частота статора U - Сигнал U подается в блок 6, в который кроме уже упо­мянутого сигнала амплитуды тока 1]т поступает еще сигнал мгно­венного тока инвертора і і. Блок 6 на основании сигналов частоты /1 и амплитуды тока 1]т формирует изменяющуюся во времени сину­соидальную эталонную функцию тока, которая сравнивается в двух­позиционном регуляторе этого блока с мгновенным значением вы­ходного тока инвертора /т. Результирующий сигнал рассогласования 6 воздействует на блок управления вентилями инвертора 8, который управляет широтно-импульсиой модуляцией питающего его напря­жения.

Сигнал мгновенного значения тока инвертора вводится также в блок 3 для дополнительного повышения частоты ротора (и, сле­довательно, момента) в том случае, если увеличения тока блокам в оказалось недостаточно.

При торможении двигатели работают в генераторном режиме и осуществляют рекуперацию энергии торможения через инвертор в сеть. Если сеть не обладает достаточной энергоемкостью, избыточ­ная энергия рассеивается резисторами, не показанными на схеме. Тормозные резисторы включаются автоматически.

Для универсального электровоза магистральных железных дорог ФРГ с питанием с*г однофазной контактной сети были исследованы два варианта привода с двухзвенным преобразователем частоты:с вы­прямителем и промежуточной цепью постоянного тока. Электровоз имеет четыре двигателя, каждый со своим преобразователем.

Для четырехосного электровоза требуется пусковое тяговое уси­лие 340 кН. Длительное тяговое усилие при скорости 80 км/ч состав­ляет 260 кН, что соответствует длительной мощности 5,6 МВт.

Преобразование однофазного тока осуществляется четырехквад­рантным выпрямителем, на входе которого включен реактор для сглажлвания колебаний тока, а на выходе — иа стороне постоянного тока — конденсатор.

Схема регулирования инвертора аналогична показанной на рис. 5.2. Управление четырехквадрантным преобразователем состоит из комплекса регуляторов, которые обеспечивают постоянство вы­прямленного напряжения при заданном коэффициенте мощности. Ре­зультирующий сигнал через двухпозиционныч регулятор выдает так­товый сигнал с модулируемой шириной импульсов в блок, управляю­щий вентилями выпрямителя. Преобразователь обеспечивает и реку­перативное торможение.

Второй вариант электропривода для магистрального электровоза выполнен с инвертором тока. Основное отличие схемы регулирования заключается в том, что в управлении вы - 5 прямителем задается не напряжение, а ток по сигналу, поступающему с регуля­тора момента. г

Коэффициент мощности регулируется, как и в первом варианте, регулятором.

Более совершенный метод регулирова - 1 ния момента, основанный на измерении по­тока непосредственно в воздушном зазоре, рассматривается в [53]. Его преимущество заключается в отсутствии зависимости си­стемы управления от параметров двига-_? теля.

Привод состоит из инвертора с ШИМ для регулирования напряжения и часто - -2 ты. Инвертор питает один или несколько тяговых двигателей. Желаемые тяговые характеристики привода (тяговое усилие -3 в зависимости о*г скорости в милях/ч) по­казаны на рис. 5.3. В двигательном ре - ”

жиме имеется три зоны регулирования: с

постоянным моментом от 0 до скорости vt; с постоянной мощностью— от Уі до v2; с ослаблением потока при скорости выше v2, так что мо­мент изменяется обратно пропорционально квадрату скорости.

Тормозная характеристика имеет два участка: при скорости от О ДО О] с постоянным темпом торможения и при v>v3 — с постоян­ной мощностью.

В режиме постоянного момента поток устанавливается на макси­мально возможном уровне, необходимом для обеспечения минималь­ной частоты инвертора. Инвертор питается от сети постоянного тока. Управление осуществляется двумя регуляторами, один задает потск командным сигналом Фк, другой—момент сигналом Мк. Кроме того, используется необязательная тахометрическая обратная связь по ско­рости для начальной стадии работы системы. Характерной особенно­стью системы является непосредственное измерение потока в воздуш­ном зазоре машины, осуществляемое с помощью трех специальных
измерительных катушек (одна иа фазу). Они заложены в пазы меж­ду главной обмоткой статора и пазовыми клиньями вместо прокладок. Катушки плоские и охватывают каждая только один зубец. Выходные сигналы катушек миогодвигательных приводов суммируются для двух двигателей. Поток воздушного зазора наводит в каждой катушке ЭДС

е=.—w dO/dt, а поток определяется интегралом

/ е dt——вуФ.

Для исключения дрейфа интегратора служит резистор, кСгорый ограничивает нижний предел измерения но частоте (около 0,1 Гц). Так как частота скольжения, при которой момент превышает на­чальный момент статического сопротивления, /2нач>0,1 Гц, то из­мерение потока охватывает весь диапазон скоростей прнпода. Выход­ные сигналы катушек после интегрирования выпрямляются, сумми­руются и фильтруются пульсации, возникающие от пазов ротора После интегрирования сигналы ответвляются для вычисления мо­мента.

Момент вычисляется как разность произведений ортогональных составляющих токов и потоков. Для этого сигналы катушек преоб­разуются к двум ортогональным осям, умножаются на сигналы двух токов статора, также предварительно преобразованных к ортогональ­ным осям, и после вычитания двух произведений фильтруются. Ре­зультат вычисления момента не зависит от параметров двигателя, что является важным преимуществом метода. В сигнале момента на по­лезную составляющую наложены пульсации, обусловленные гармо­никами напряжения.

Экспериментальные исследования показали удовлетворительные результаты. Точное регулирование потока, достигнутое в этой схеме, позволяет снизить запас по потоку и уменьшить размеры двигателя.