6 Асинхронный двигатель в тяговом электроприводе

6.1 Краткая история вопроса

1889г. – изобретение Доливо-Добровольским асинхронного двигателя (АД).

1902-1903гг. – в Швейцарии, Германии, Италии созданы электропоезда с АД.

1920-е годы – в Италии было электрифицировано около 3000 км железных

дорог на переменном трехфазном токе.

1966г. – СССР, РВЗ – опытный электропоезд с АД.

1967г. – СССР, НЭВЗ – опытный электровоз ВЛ80а с АД, которые имели

0.33 кВт/кг (против 0.18 кВт/кг у ТЭД постоянного тока).

1998г. – Россия, НЭВЗ – электровоз двойного питания ЭП10 (160 км/час) с АД.

2000г. – Россия, НЭВЗ – электропоезд переменного тока ЭН3 с АД.

2003г. – Россия, г. Екатеринбург, завод «Уралтрансмаш», трамвай «Спектр» с АД.

6.2 Принцип действия, характеристики и свойства асинхронного

двигателя

Принципиальное конструктивное исполнение асинхронного двигателя показано на рисунке 6.1.

Роторная обмотка представляет собой короткозамкнутую «беличью клетку».

На статоре двигателя располагаются три обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 120º и питающиеся от трехфазной системы напряжений (напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 120 электрических градусов) – выражения (6.1…6.3):

U_A = U_m·Sinωt, (6.1)

U_B = U_m·Sin(ωt-120º), (6.2)

U_C = U_m·Sin(ωt-240º), (6.3)

Как известно, такая система обмоток создает круговое магнитное поле Ф

(Ф = 1,5·Фm), вращающееся со скоростью n₁

n₁= , об/мин, (6.4)

где f1 – частота питающего обмотки статора напряжения, Гц;

p – число пар полюсов обмоток статора.

Рисунок 6.1 – К принципу действия АД

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники роторной обмотки, наводит в них э.д.с., под действием которой в короткозамкнутой роторной обмотке возникает ток. В результате взаимодействия этого тока с вращающимся магнитным полем статорных обмоток создается вращающий момент М, под действием которого ротор начинает вращаться в том же направлении, что и магнитное поле, но со скоростью n2, несколько меньшей, чем скорость n₁ (разница скоростей тем больше, чем больше нагрузка на валу двигателя):

n₂= , об/мин, (6.5)

V= , км/ч. (6.6)

где f2 – частота переменного тока в обмотке ротора,

V – линейная скорость движения ЭПС.

Степень отставания вращения ротора от вращающегося магнитного поля статора принято оценивать с помощью величины S:

S = , (6.7)

где ∆n = n₁ - n₂ – абсолютная скорость скольжения ротора;

S – относительная скорость скольжения ротора (или просто скольжение).

Очевидно, значения скольжения ротора изменяются при работе асинхронного двигателя в пределах от 0 до1:

0 ≤ Sкр < S ≤ 1

Режимы работы АД х.х. критический пуск

n₂ = n₁ n₂ = 0

Мхх = 0 Мmax Мп

зона рабочая

Зона нерабочая

Вращающий момент асинхронного двигателя определяется по следующему выражению

M = , (6.8)

По (6.8) строится тяговая характеристика асинхронного двигателя – n₂(М), которая приведена на рисунке 6.2 при f₁ = const и Uф = const.

Из (6.8) и рисунка 6.2 видно, что конкретное значение вращающегося момента АД определяется режимом его работы, т.е. величиной скольжения ротора S. При этом зависимость момента от скольжения двоякая: момент зависит не только от величины S, но одновременно и от величины 1/S.

Рисунок 6.2 – Тяговая характеристика АД

В 1-й зоне превалирует влияние 1/S: со сравнительно незначительным увеличением скольжения от нуля до Sкр вращающий момент двигателя быстро возрастает до максимального Мmax.

Во 2-й зоне превалирует влияние S: с дальнейшим увеличением скольжения от Sкр до единицы вращающий момент АД уже снижается от Мmax до значения Мп, называемого пусковым.

Скольжение, при котором вращающий момент АД принимает максимальное значение М(Sкр) = Мmax, называется критическим.

Критическим это скольжение называется потому, что оно делит тяговую характеристику АД на две зоны:

рабочую – зона 1, где двигатель обладает механической устойчивостью

, (6.9)

нерабочую – зона 2, где двигатель не имеет механической устойчивости

. (6.10)

Здесь Fк - сила тяги двигателя,

Wк - сила сопротивления движению поезда, приходящаяся на один

двигатель.

Отсюда вытекает следующая особенность асинхронного двигателя – АД боится перегрузок. Поэтому момент сопротивления на валу двигателя никогда не должен превышать его максимального вращающего момента (в противном случае двигатель остановится).

Величина критического скольжения определяется из условия

(6.11)

и оказывается равной

S_кр = . (6.12)

6.3 Регулирование скорости асинхронного двигателя

Из формулы (6.4) следует, что регулировать скорость вращения ротора асинхронного двигателя можно только изменением частоты f₁ питающего статорные обмотки напряжения (изменение числа пар полюсов в настоящее время рассматривать уже нецелесообразно). Однако, согласно (6.8) при этом будет изменяться и максимальный вращающий момент двигателя (т.е. его перегрузочная способность) – рисунок 6.3,а.

Рисунок 6.3 – Тяговые характеристики АД:

а) при регулировании только частоты питающего напряжения,

б) при одновременном регулировании и частоты и величины

питающего напряжения.

Очевидно, чтобы при увеличении частоты f₁ сохранить неизменным вращающий момент двигателя, надо одновременно увеличивать приложенное к нему напряжение U₁. Академик М.П. Костенко вывел закон оптимального регулирования идеализированного асинхронного двигателя, у которого активное сопротивление статорных обмоток принимается равным нулю:

. (6.13)

Учитывая, что при пуске ЭПС целесообразно сохранять вращающий момент двигателя постоянным (Мi = const или Fкi = const), то из (6.13) следует

, (6.14)

т.е. при пуске асинхронного двигателя надо величину и частоту питающего напряжения изменять одновременно и пропорционально друг другу (см. рисунок 6.3,б)

= const. (6.15)

Но при этом необходимо контролировать величину вращающего момента, чтобы он не достиг своего максимального значения. Делают это с помощью контроля величины критического скольжения – Sкр.

6.4 Получение трехфазного переменного напряжения с помощью

автономных инверторов

Автономным инвертором называется преобразователь электрической энергии постоянного напряжения в переменное напряжение заданной величины, частоты и числа фаз. Очевидно, для питания асинхронных двигателей необходим трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН). Основным элементом АИН является управляемый ключ, в качестве которого в настоящее время используются полностью управляемые силовые полупроводниковые вентили – тиристоры или транзисторы.

Принципиальная электрическая схема трехфазного АИН приведена на рисунке 6.4, а алгоритм управления тиристорами инвертора и временные диаграммы фазных напряжений приведены на рисунке 6.5.

Рисунок 6.4 – Трехфазный автономный инвертор напряжения

Здесь каждая фаза АИ образована двумя последовательно включенными тиристорами VS1 - VS2, VS3 - VS4 и VS5 - VS6, к общим точкам которых подсоединены начала фаз А, В и С статорных обмоток АД, соединенных между собой по схеме «звезда». Анодная группа тиристоров (нечетные номера) подключены к плюсу (+), а катодная группа тиристоров (четные номера) – к минусу (-) источника питания постоянного напряжения.

Алгоритм управления тиристорами следующий (рисунок 6.5, а):

– все тиристоры работают на одной и той же частоте и находятся в открытом и закрытом состоянии по 180 электрических градусов;

– начало вступления в работу тиристоров внутри фаз сдвинуто относительно друг друга на 180 электрических градусов;

- начало вступления в работу фазообразующих тиристоров сдвинуто относительно друг друга на 120 электрических градусов (отдельно для анодной и отдельно для катодной групп).

Тогда в каждой шестой части периода образуется следующая схема соединения обмоток АД: две обмотки соединены параллельно между собой, а третья обмотка – последовательно с ними (рисунок 6.5, б). При этом на параллельно соединенные обмотки приходится 1/3U_d, а на одиночную обмотку – 2/3U_d .

Рисунок 6.5 – Алгоритм управления и временные диаграммы АИН

Поэтому форма напряжения, приложенного к каждой статорной обмотке АД, оказывается ступенчатой по величине (высота каждой ступеньки 1/3U_d, а длительность – 60 электрических градусов) и переменной по знаку в пределах периода. При этом фазные напряжения UA, UB и UC сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов. Ток в статорных обмотках АД в пределах каждой ступеньки напряжения имеет экспоненциальную форму.

Регулирование частоты переменного трехфазного напряжения достигается изменением периода (частоты) следования управляющих импульсов на тиристоры инвертора, а регулирование фазного напряжения – изменением длительности открытого состояния тиристоров внутри каждой одной шестой части периода (внутри каждой ступеньки напряжения) с помощью тиристора, включенного в цепь одиночной обмотки АД (рисунок 6.6, в). Чтобы при этом форма первой гармоники напряжения оставалась синусоидальной, уменьшение напряжения ведут одновременным и симметричным уменьшением длительности открытого состояния этого тиристора с обеих сторон ступеньки напряжения (рисунок 6.5, в – пунктирные линии). Такой способ регулирования напряжения называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а сам инвертор – АИН с ШИМ.

6.5 Структура тягового электропривода ЭПС с асинхронным двигателем

6.5.1 Структура тягового электропривода ЭПС переменного тока с АД

Такая структура приведена на рисунке 6.6, из которого видно, что пуско- регулирующая аппаратура ЭПС содержит понижающий трансформатор (Тр) – управляемый выпрямитель (УВ) – трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН). При этом функции регулятора напряжения на АД выполняет управляемый выпрямитель, а регулятора частоты – автономный инвертор.

Рисунок 6.6 – ЭПС переменного тока с АД

6.5.2 Структура тягового электропривода ЭПС постоянного тока с АД

а) Магистральный транспорт – рисунок 6.7.

Рисунок 6.8 – ЭПС постоянного тока с АД

Здесь пускорегулирующая аппаратура ЭПС содержит два Г-образных фильтра, тиристорно-импульсный преобразователь ТИП и трехфазный автономный инвертор АИН. Функции регулятора напряжения на АД выполняет ТИП, а функции регулятора частоты – АИН. Необходимость использования тиристорно-импульсного преобразователя объясняется существенно разными уровнями напряжений в контактной сети (3000 В) и на тяговом двигателе (800 –1000 В).

б) Городской транспорт

Здесь уровни напряжения источника питания и тягового двигателя совпадают и потому необходимость в ТИПе отпадает. Функции регулятора напряжения и частоты берет на себя трехфазный автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН с ШИМ). В качестве примера на рисунке 6.8 приведена структурная схема тягового электропривода трамвая «Спектр» (г.Екатеринбург, завод «Трансмаш»).

Рисунок 6.8 – Функциональная схема тягового электропривода трамвая

«Спектр»

Основные технические данные:

Напряжение контактной сети, В – 550 + 50%

Тяговый двигатель – АТЧД 225, 4 шт. (по 2 шт. на преобразователь)

Основные параметры двигателя представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Основные параметры двигателя

Параметры	Обозначение	Номинальный режим	Диапазон
Мощность, кВт	P	54	0 - 85
Скорость, об/мин	n1	1800	0 - 4500
Частота, Гц	f1	60	0 - 150
Скольжение, %	S	1.5
Напряжение, В	U1	345
Ток, А	I1	130
Момент, Н·м	Mmax	575
К.п.д.	–	0.91
Коэффициент мощности	–	0.76
Масса, кг	m	287

АИН выполнен на IGBT транзисторных модулях SKUPPACK фирмы SEMIKRON (Германия).

Несущая частота – 3 кГц.

МПСУ выполнена на микропроцессорах Intel 80196, расположенных на платах ПС 196-1 разработки ВНИИЭМ (г. Москва).

Удельный расход электроэнергии, кВт/10 т км - 450 (по ГОСТу – 930).

Итак, уже настоящее и тем более будущее – за асинхронным тяговым электроприводом!

Заключение

Из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 года («Белая книга ОАО «РЖД») [3] можно выделить следующие вопросы, имеющие непосредственное отношение к работе электроподвижного состава.

Общие вопросы:

- повышение доли транзитных перевозок до 30%,

- создание «интеллектуального» поезда со встроенной системой автоведения и самодиагностики,

- внедрение рельсов с ресурсом до 1.5 млрд ткм,

- повышение унифицированной массы поезда до 9000 т.

Подвижной состав:

- осевые нагрузки до 27…30 т,

- ресурс бандажей до 1 млн км,

- скорости грузовых поездов до 140 км/час,

- уменьшение тары грузовых вагонов на 25%,

- сокращение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов на 10…15%,

- создание мультисистемного пассажирского электровоза с асинхронными тяговыми электродвигателями.

Высокоскоростное движение:

- ввод в эксплуатацию высокоскоростного электропоезда RUS-250 на участке С.Петерсбург – Москва,

- строительство опытного полигона на участке Лихая – Батайск для скоростей движения до 400 км/час (2011 г.),

- организация высокоскоростного движения 350-400 км/час с освоением отечественными производителями подвижного состава и инфраструктуры.

Решение вышеуказанных вопросов позволит поднять на качественно новый уровень всю работу российских железных дорог.

Список использованных источников

1. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. – М.: Транспорт, 1983. – 328 с.

2. Наймушин. В.Г. О стратегии развития электровозостроения. Вестник ВЭлНИИ. – Новочеркасск, 2007. №

3. Белая книга ОАО «РЖД». Стратегические направления научно-технического развития компании. – Железнодорожный транспорт. 2007. № 7.

4