Выполнение теоритических исследовании по моделирование автономного инверторного напряжения (АИН), Схемы и работа автономного инверторного напряжения (АИН) - Исследование импульсного регулирования асинхронного двигателя электроподвижного состава

Схемы и работа автономного инверторного напряжения (АИН)

На входе АИН (рис. 4.1) устанавливают накопитель энергии в виде конденсатора С большой емкости; тиристорные плечи VS1-VS6 инвертора шунтируют обратными диодами VD1-VD6, обеспечивая тем самым беспрепятственную циркуляцию реактивной энергии между АД и конденсатором. На выходе АИН получают трехфазное напряжение регулируемой частоты, значение которого определяется входным напряжением Е инвертора.

У АИН при условиях постоянства входного напряжения, т. е. бесконечно большой емкости СD конденсатора фильтра, и мгновенной коммутации тиристоров форма выходного напряжения не зависит от свойств и параметров нагрузки. Гармонический состав выходного напряжения является неизменным, всегда основная гармоническая составляющая Е1 = Е/, где Е--э. д. с. на входе инвертора.. Наиболее распространенным при исследовании системы АИН -- АД до сих пор является так называемый метод гармонических двигателей. Он предполагает наличие ряда эквивалентных двигателей с общим валом, параметры которых соответствуют частотам основной и наибольших по амплитуде высших гармонических составляющих. Такой метод трудоемок и для достижения необходимой точности расчета требуется применять ЭВМ. Кроме того, вследствие фазового сдвига гармонических составляющих токов трудно синтезировать кривые мгновенных значений фазных токов, которые во многом определяют выбор параметров преобразователя и его энергетические показатели. Допущение о бесконечно большой емкости конденсатора фильтра обеспечивает приближенное решение поставленной задачи, так как на выходное напряжение сильное влияние оказывают пульсации входного. Несмотря на это, анализ электромагнитных процессов в простейшем случае, когда напряжение на входе инвертора постоянно, являються первым важным этапом при разработке достаточно точной инженер ной методики расчета. В мощном быстро вращающемся тяговом двигателе влияние активных сопротивлений его обмоток пренебрежимо мало. Постоянные времени контуров затухания токов в обмотках двигателя практически во всем диапазоне рабочих частот (за исключением пусковой области до 10--15 Гц) больше, чем время между переключениями тока в фазных обмотках якоря; поэтому удобно использовать метод, базирующийся на принципе постоянства потокосцепления контуров ротора. Многократные экспериментальные исследования на стендах и непосредственно на электровозах показали хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов. Использование этого принципа существенно упрощает теоретический анализ. Полное потокосцепление фазных обмоток статора представим в виде суммы неизменного во времени сверхпереходного потокосцепления и потокосцепления, зависящего от падения напряжения на сверхпереходном сопротивлении = L. Это справедливо для двигателей и асинхронных и синхронных. Сверхпереходному потокосцеплению соответствует сверхпереходная э. д. с. Е". Как известно из теории электрических машин переменного тока, сверхпереходные потокосцепление и э. д. с. являются формальными величинами, существенно облегчающими анализ переходных процессов, хотя они и не обусловлены физически определенным магнитным полем. Сверхпереходные э. д. с. в момент изменения режима, например при изменении тока в статоре, сохраняют предшествующее значение. Несмотря на то что работа электрической машины с тиристорным инвертором -- это непрерывный цикл переходных процессов, значение и направление сверхпереходной э. д. с. на векторной диаграмме могут быть приняты неизменными. Связь между э. д. с. Е", основной гармонической составлящей фазной э. д. с. Е1 и углом между ними устанавливается из векторной диаграммы:

принципиальная электрическая схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения для питания тягового асинхронного двигателя

Рис. 4.3 Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения для питания тягового асинхронного двигателя (а), диаграмма работы электрических вентилей (б), напряжение фазы А (в) и фазные токи (г)

Где I1 -- основная гармоническая составляющая фазного тока статора; - угол между основными гармониками э. д. с. и тока.

Инвертор напряжения с ограниченным, например, до 120° интервалом проводимости тиристоров по рабочим характеристикам занимает промежуточное положение между АИТ и АИН с интервалом проводимости тиристоров, причем на границах существования режима работы с интервалом 120° и непрерывного фазного тока имеются переломы характеристик и возможна неустойчивая работа; поэтому практически применяются главным образом АИН с интервалом проводимости 180O, так называемый АИН 180°-ного типа. В таком инверторе для расчета мгновенных значений i фазного тока (рис. 4.4) при идеально но сглаженном входном напряжении и достаточно большой частоте двигателя удобно воспользоваться уравнением

Относительное значение тока короткого замыкания электродвигателя при данной угловой частоте тока статора IK=U1 / (х''I1), где U1 - основная гармоническая составляющая фазного напряжения.

кривая искажающей функции (а) и построение кривой фазного тока (б) при работе ад от аин 180 - ного типа

Рис. 4.5 Кривая искажающей функции (а) и построение кривой фазного тока (б) при работе АД от АИН 180О - ного типа.

Рис. 4.6 Экспериментальные кривые фазного тока тягового АД мощностью 900 кВт при М = 0,5 МЧас (а), М = МЧас (б) и М=1,25 МЧас (в)

Экспериментальные данные (рис. 4.6) хорошо согласуются с теоретическим описанием формы кривых фазного тока. В инверторе происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию трехфазного переменного тока:

Где UD, ID - напряжение и ток на входе инвертора; U1 , I1- напряжение и ток на выходе инвертора; -- потери энергии в инверторе.

Дополнительно могут быть учтены потери в стали двигателя. Насыщение учитывается выбором соответствующего значения L, другие параметры двигателя зависят от насыщения в малой степени.

Характеристики АД. Можно получить наглядные расчетные формулы для характеристик АД, ограничив их универсальность и приняв rS = 0, что не вносит заметной погрешности для мощного АД при FS / fSном > 0,3. Если необходимо, потери в меди статора учитывают приближенно, например соответствующим понижением внешней характеристики выпрямителя. При допущении RS = 0 и с учетом выражений для фазных напряжения U1 и тока I1 можно записать:

Зависимость UD (ID) задается тяговым выпрямителем; при наличии конденсатора фильтра она отличается от внешней характеристики выпрямителя на традиционном э. п. с. выпрямительного типа с коллекторными тяговыми двигателями. Внешняя характеристика UD (ID) выпрямителя, имеющего на выходе индуктивно-емкостный фильтр (рис. 4.7), имеет пологую часть, когда выпрямленный ток непрерывен, и круто падающую часть при прерывистом выпрямленном токе. Пологая часть внешней характеристики рассчитывается аналогично тому, как это делается для традиционного э. п. с. выпрямительного типа, так как пульсации тока в сглаживающем реакторе практически одни и те же. При появлении прерывистого тока в нагрузке среднее напряжение на конденсаторе фильтра резко увеличивается вплоть до амплитудного значения UM вторичного напряжения силового трансформатора. Еще более искажается входная характеристика однофазного инвертора в режиме рекуперации энергии в тяговую сеть. При небольших значениях выпрямленного тока напряжение на конденсаторе равно нулю, так как он шунтирован диодами обратного тока инвертора напряжения. Если же эти диоды заменены тиристорами, то входная характеристика может заходить в область отрицательного напряжения, как это показано на рис. 114 штриховой линией.

внешняя характеристика однофазного выпрямителя тока требуются реакторы больших (вверху) и входная характеристика однофазного инвертора (внизу) с индуктивно емкостным фильтром

Рис. 4.8 Внешняя характеристика однофазного выпрямителя тока требуются реакторы больших (вверху) и входная характеристика однофазного инвертора (внизу) с индуктивно емкостным фильтром

Пульсации тока. Степень сглаживания выпрямленного тока, т. е. величина пульсаций выпрямленного тока в сглаживающем реакторе и выпрямленного напряжения на конденсаторе фильтра, определяется из технико-экономических соображений. Относительная пульсация тока находится, как правило, на уровне 25-30 %.

Пульсации напряжения питания АИН приводят таким образом к образованию дополнительных вращающих или тормозных моментов. При этом может наблюдаться эффект стабилизации или, напротив, дестабилизации режима работы, определяемого основной гармонической составляющей напряжения. Амплитуды V-х гармоник фазного тока определяются ‚V-ми гармониками линейных напряжений и частотным сопротивлением АД на данной гармонике. Поэтому наиболее значимыми становятся токи и соответствующие потоки при малых величинах ‚у и особенно при ‚ V = 0, когда постоянная составляющая фазного тока ограничивается лишь фазным омическим сопротивлением и потерями в инверторе и соединительных проводах (26).

Малый воздушный зазор у АД в сочетании с малым омическим сопротивлением фазной обмотки при м. д. с. статора, существенно превышающей м. д. с. ротора, делают мощный тяговый АД уязвимым для низкочастотных гармонических составляющих фазного напряжения. Расчеты показали, что для устранения постоянной составляющей в фазном токе при F1 = 100 Гц погрешность стабилизации выпрямленного напряжения на конденсаторе фильтра должна быть менее 2 %; практически же при индуктивно-емкостном фильтре амплитуда пульсации UП = ( 0,05-0,1 ) UD . Амплитуды гармоник выходного напряжениям образуют бесконечный расходящийся ряд, поэтому для аналитического определения амплитуды пульсации UП используют схему замещения со сверхпереходными индуктивностями L'' = (т. е. с индуктивностями короткого замыкания АД, соответствующими скольжению, равному единице) .

временные диаграммы мгновенных значений линейных напряжений u (а) и u (г) асинхронного двигателя и их составляющих от постоянного входного напряжения инвертора для линейного напряжения (б)

Рис. 4.9 Временные диаграммы мгновенных значений линейных напряжений UАВ (а) и UВС (г) асинхронного двигателя и их составляющих от постоянного входного напряжения инвертора для линейного напряжения (б)

Рис.4.10 Зависимости порядка ‚ и соответствующие им амплитуды гармонических составляющих с прямым (сплошные линии) и обратным чередованием фаз от относительной частоты двигателя (а), скольжения ротора (б) в режимах: 1 - генераторном: 2 - двигательном; 3 - тормозном

Пульсация напряжения. Как же отражается уменьшение емкости конденсатора фильтра на свойствах системы АИН -- АД? Для большей наглядности не будем учитывать выпрямительные пульсации входного напряжения, характерные для э. п. с. переменного тока. Всеми активными сопротивлениями в силовой схеме пренебрежем. Это допустимо, так как речь идет о тяговом двигателе мощностью около 1000 кВт, к. п.. д. которых не ниже 90--95 %, рабочий диапазон частот вращения примерно от 10 до 140 Гц.

Введение фиктивной э. д. с. возбуждения Е для Ад является удобным приемом, позволяющим связать воедино двигатели синхронного и асинхронного типов. Направление фиктивного вектора Е на векторной диаграмме АД в принципе может быть произвольным, так как он нужен всего лишь для фиксации моментов открытия тиристоров и положения векторов основной гармоники фазного напряжения Е1 и фазной сверхпереходной э. д. с Е". Входной ток инвертора в интервале времени определяется током IВ фазы В.

В соответствии с известными уравнениями для фазных напряжений еА, еВ, еС, вытекающими из принципа постоянства потокосцепления магнитных контуров двигателя, можно записать следующую систему уравнений:

Где - угол смещения э. д. с. Е" относительно направления э. д. с. от потока взаимной индукции или фиктивной э. д. с. возбуждения ЕВ IK - ток в конденсаторе фильтра: Е -- напряжение источника питания, которое предполагается постоянным.

Эта система уравнений может быть сведена к единому дифференциальному уравнению 3-го порядка, связывающему входной ток АИН с остальными параметрами схемы:

Основным преимуществом АИН считается отсутствие обмена реактивной энергией между элементами силовой схемы и коммутирующими конденсаторами. Практически это означает, что за время коммутации (время запирания силового тиристорного ключа) токи в индуктивностях сглаживающего реактора и фаз двигателя, а также напряжение на конденсаторе фильтра не изменяются.. В соответствии е этими граничными условиями находят все постоянные интегрирования. Среднее значение входного тока инвертора определяется интегрированием тока В фазы В в интервале времени - :

В это уравнение для удобства записи введены обозначения:

Первый коэффициент синусного ряда разложения кривой мгновенНЫХ значений напряжения фазы АД дает проекцию амплитуды вектора Е1 на ось фиктивного вектора э. д. с. ЕВ возбуждения:

В этом уравнении

Первый коэффициент косинусного ряда разложения Фурье равен проекции амплитуды вектора Е1 на ось, перпендикулярную оси фиктивного вектора ЕВ Поэтому

Из общеизвестной векторной диаграммы для гармонических составляющих тока и напряжения неявнополюсного двигателя переменного тока следует, что Е1 Sin-Е''sin/ (1-)

Совместное решение этого уравнения и уравнения позволяет получить соотношение

Введем обозначения:

Тогда можно записать следующие выражения: для определения угла нагрузки двигателя, т. е. угла между основной гармоникой питающего напряжения и э. д. с. Возбуждения

Для амплитуды основной гармонической составляющей фазного напряжения

Угол сдвига между основными гармоническими составляющими I1 тока и Е1, напряжения

Анализ характеристик двигателя с учетом реальных параметров входного фильтра инвертора напряжения удобно вести в относительных единицах, причем за базисные, как и при анализе других типов двигателя, например вентильного, принимают среднюю преобразованную э. д. с. возбуждения UБ = 3E1 / и ток трехфазного короткого замыкания через мостовой выпрямитель IБ = / (2LS .

Относительное значение тока двигателя находится из баланса активной энергии инвертора ЕI = sin в виде

Как видно, оно не зависит от угла ". Из того же баланса активной энергии находится и относительное значение напряжения двигателя

Относительный вращающий момент M= EI.

Анализ свойств двигателя удобно вести в следующем порядке. При известных параметрах силовой схемы LD, CD, L" известны собственная угловая частота = и безразмерный коэффициент L = 2LD / (3L'' ). Другой безразмерный коэффициент K = зависит от частоты вращения двигателя. В начальной стадии анализа этим коэффициентом задаемся как параметром и по уравнениям (74а) и (75) находим вспомогательные величины Коэффициент рассеяния обмоток а, т. е. отношение сверхпереходной индуктивности L" двигателя к его синхронной индуктивности L8, находится в довольно узких пределах и также может считаться известным.

Используя связь между величинами Е,Е''," и I, можно построить временные диаграммы для любого режима работы двигателя при различных соотношениях параметров силовой схемы. Для примера рис. 4.13 приведены временные диаграммы токов и напряжений при = 30°;

= 0,3; L = 10; " = 22°, K = 5, т. е. при работе двигателя вблизи резонансной частоты вращения,, когда S = 1.

При выборе емкости СD конденсатора фильтра необходимо выполнять следующее условие:

Или

На э. п. с. переменного тока это тоже возможно, но только при переходе к принципиально новым схемам выпрямителей с безиндуктивным выходом, например на базе импульсного регулирования в выпрямительном звене. Напротив, индуктивность короткого замыкания двигателя, питающегося от АИН, со многих точек зрения целесообразно иметь возможно большей, поэтому на некоторых зарубежных электровозах Между АИН и АД включены дополнительные токоограничивающие дроссели. В этом отношении положительны техническим решением была бы синхронизация работы нескольких тяговых АД с фиксированным фазовым взаимным сдвигом во времени и питание их от общего фильтра. Однако это нежелательно вследствие необходимости индивидуального регулирования пусковой частоты каждого двигателя, так как неравномерно распределяются нагрузки между параллельными двигателями, а также из-за необходимости вынужденного отключения одного из двигателей. Резонансные явления Исключаются при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения в АИН по синусоидальному или близкому к нему закону.

Схемы и работа автономного инверторного напряжения (АИН)

Похожие статьи