Содержание к диссертации
Введение
I. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ
МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМЕННО-
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 12
1.1. Основные элементы передачи и требования, предъявляемые к ним 14
1.1.1. Синхронный тяговый генератор (СТГ) -
1.1.2. Статический преобразователь частоты (СПЧ) -
1.1.3. Тяговый асинхронный двигатель СТАД) 16
1.1.4. Система автоматического регулирования (САР) -
1.2. Выбор способа электрического торможения тягового асинхронного двигателя 17
1.2.1. Конденсаторное торможение 19
1.2.2. Торможение противовключением 21
1.2.3. Динамическое торможение 24
1.2.4. Двухтоковое торможение 28
1.2.5. Генераторное торможение . 32
1.3. Основные итоги и выводы 33
II. САМОВОЗБУЖДЕНИЕ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ТОРМОЖЕНИЯ 35
2.1. Особенности процесса генераторного торможения -при работе от статического преобразователя частоты
2.2. Самовозбуждение асинхронной машины при работе от СПЧ 43
2.3. Тематическое моделирование динамики процесса самовозбуждения 46
2.4. Анализ влияния параметров машины на процессе самовозбуждения 51
2.5. Основные итоги и выводы 63
III.ОБСЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГЕНЕРАТОРНОМ
ТОРМОЖЕНИИ АСИНХХРОННОЙ МАШИНЫ 65
3.1. Математическое моделирование тормозного контура.
3.2. Анализ влияния характера изменения частота СПЧ на тормозные характеристики 74
3.3. Анализ влияния параметров асинхронной машины на тормозные характеристики 81
3.4. Особенности тормозных характерна тикмагив трального тепловоза 90
3.5. Система автоматического управления магистрального тепловоза в резюме генераторного 93
Основные итоги и вывода 99
ІV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ЧАСТОМ! ПУСКЕ 101
4.1. Математическое моделирование пуска асинхронного двигателя при несинусоидальном напряжении 104
4.2. Расчетные результата владения неошусоидальности напряенш СПЧ при пуске 10Ь
4.3. Анализ влияния параметров ТАД на пусковые характерітики 119
4.4. Основные итоги и выводы 123
V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ШСВДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ТОРМОЖЕНИЯ 324
5.1. Описание экспериментальной установки 125
5.1.І. Измерение частоты вращения ротора и динамического момента на валу испытуемой машины. 128
5.1.2. Устройство и работа блока задания режима
торможения 133
5.2. Экспериментальное исследование процесса самовозбуждения 137
5.3. Экспериментальное исследование тормозных режимов 143
5.4. Основные итоги и выводы 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 161
- Выбор способа электрического торможения тягового асинхронного двигателя
- Особенности процесса генераторного торможения -при работе от статического преобразователя частоты
- Математическое моделирование тормозного контура.
- Математическое моделирование пуска асинхронного двигателя при несинусоидальном напряжении
- Измерение частоты вращения ротора и динамического момента на валу испытуемой машины.
class1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ
МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМЕННО-
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА class1
Выбор способа электрического торможения тягового асинхронного двигателя
Конденсаторное торможение является одним из способов при котором отсутствует потребление реактивной мощности из сети / 8, 9, 10 /. Подробные исследования этого весьма эффективного (в сочетании с другими способами) тормозного режима были проведены, главным образом, в Одесском политехническом институте под руководством Л.П. Петрова / II, 12, 13 /. При этом способе батарея конденсаторов, включенная на зажимы асинхрэнной машины, является источником реактивной энергии, обеспечивая при определенной величине емкости режим емкостного самовозбуждения машины. Угловая частота вращения магнитного поля статора становится ниже синхронной, в результате чего машина развивает тормозной момент, величина которого определяется величиной отрицательного скольжения ротора и емкостью батареи конденсаторов. Величину минимальной емкости, необходимой для самовозбуждения асинхронной машины можно определить (приближенно), как / II / СОо - синхронная угловая частота вращения поля статора, Uи - номинальное напряжение. По мере снижения частоты вращения ротора вследствие торможения машины отрицательное скольжение уменьшается, а при выравнивании частот вращения ротора и поля нарушаются условия самовозбуждения и тормозной момент исчезает. Примерный вид механических характеристик конденсаторного торможения для различной величины емкости батареи конденсаторов приведен на рис. 2. 3. Как видно, с уменьшением величины емкости происходит увеличение максимального тормозного момента, но одновременно сужается зона устойчивого торможения, что объясняется увеличением минимальной частоты вращения ротора, при которой возможно самовозбуждение (критическая частота вращения).
Таким образом, существует лишь некоторый диапазон значений величины емкости, при которых возможно устойчивое торможение. Кроме а?того , зона устойчивого торможения» как видно из характеристик (рис. 2. 3), ограничивается еще и максимальной критической частотой вращения ротора, при превышении которой вся мощность, развиваемая асинхронным генератором, расходуется на покрытие потерь. Следует также отметить, что при конденсаторном торможении необходимо наличш батареи конденсаторов, иощность которой может достигать номинальной мощности асинхронной машины, что резко увеличивает габариты и стоимость всей электропередачи / 8 /, что особенно недопустимо на тепловозе.
Особенности процесса генераторного торможения -при работе от статического преобразователя частоты
При снижении частоты (изменении знака скольжения) в начале процесса торможения при выполнении определенных условий происходит самовозбуждение асинхронной машины. При этом растет э.д.с. статора, которая выпрямляется через обратные вентили, напряжение на шинах постоянного тока СПЧ растет» что приводит к запиранию выпрямителя, и далее процесс самовозбуждения происходит до установившихся значений напряжения, тока, потокосцепления, которые определяются величиной частоты СПЧ и параметрами машины. При дальнейшем уменьшении частоты вращения ротора (под действием тормозного момента) уменьшается напряжение на шинах постоянного тока СПЧ и, когда оно достигает величины, меньшей величины выходного напряжения выпрямителя, последний вновь открывается и реактивная энергия к двигателю поступает от внешнего источника. Если величина напряжения на выходе выпрямителя (опорное напряжение) меньше некоторого минимума, возможен срыв венераторного режима вследствие невыполнения условий самовозбуждения. Однако в дальнейшем (при условии сохранения ротором отрицательного скольжения) возможен повторный вход машины в тормозной режим с отбором реактивной мощности от внешнего источника, при этом скольжение изменяется по абсолютной величине, то-есть, машина попадает на новую точку тормозной характеристики. В этом случае, если величина опорного напряжения меньше напряжения асинхронного генератора, при котором наступает срыв тормозного режима (не выполняются условия самовозбуждения), машина теряет управляемость, а величина тормозного усилия не соответствует заданному. Минимальная величина опорного напряжения, при котором обеспечивается устойчивость тормозного режима, определяется параметрами асинхронной машины, которые, в свою очередь, определяют минимальную, "критическую" частоту, при которой еще возможна работа асинхронного генератора в режиме самовозбуждения.
class3 ОБСЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГЕНЕРАТОРНОМ
ТОРМОЖЕНИИ АСИНХХРОННОЙ МАШИНЫ class3
Математическое моделирование тормозного контура
Динамика переходного процесса в асинхронной машине при генераторном торможении - весьма сложный процесс, который методами численного интегрирования практически не исследовался.
Математическое описание генераторного торможения базируем, естественно, на общих уравнениях асинхронной машины, например, вида (2,3), однако в сравнений с уравнениями, описывающими процесс самовозбуждения, требуется внести ряд существенных дополнений и уточнений, обусловленных спецификой исследуемого режима:
- при генераторном торможении непрерывно изменяется угловая частота вращения ротора;
- в процессе торможения изменяется частота напряжения на зажимах статора (частота переключения силовых тиристоров СПЧ), причем закон этого изменения может быть задан различным в зависимости от требуемой интенсивности торможения;
- необходим учет несинусоидальности напряжения статора, вследствие его заметного влияния на тормозные характеристики асинхронной машины.
В режиме самовозбуждения, как было показано выше, возникающие тормозные усилия относительно малы, в связи с чем (с учетом быстротечности процесса) с достаточной степенью точности можно было пренебречь изменением частоты вращения ротора, то-есть, исследовать переходный режим при постоянном отрицательном скольжении. В тормозном режиме для определения изменения частоты вращения ротора в процессе торможения необходимо использовать уравнение движения, которое (в относительных единицах) записывается в виде /33 /:
В работах, посвященных исследованию торможения асинхронного двигателя, работающего с автономным инвертором, общепринятым допущением является учет только первой гармонической составляющей напряжения статора / 46, 47 Л Следует, однако, отметить, что появление высших временных гармоник вследствие несшусоидальности напряжения. обусловленной спецификой работы СПЧ, приводит к возникновению дополнительных знакопеременных составляющих тормозного момента, которые, в свою очередь, вызывают неравномерность изменения скорости, ухудшают плавность торможения, а в отдельных случаях могут даже вызвать временных переход асинхронной машины в двигательный режим, то-есть, нарушить устойчивость тормозного процесса. В связи с этим несинусоидальность напряжения статора, не оказывающая заметного влияния на процесс самовозбуждения, должна быть учтена в математической модели режима генераторного торможения.
Математическое моделирование пуска асинхронного двигателя при несинусоидальном напряжении
Появление знакопеременных моментов из-за наличия в цепи обую тки статора апериодических составляющих тока приводит к неравномерному разгону ротора. Время существования указанных моментов зависят от соотношения параметров статора и ротора, от механической постоянной привода и момента сопротивления на валу машины. При выходе на установившийся режим частота вращения ротора постоянна а величина момента равна моменту нагрузки. На рис. 5.7 приведена зависимость частоты вращения ротора от момента, соответствующая характеристикам, рассмотренным выше, из которой видно, что в конце пуска после нескольких колебаний вокруг синхронной скорости частота вращения ротора устанавливается при заданной нагрузке на валу.
Теперь рассмотрим особенности пуска и работу в установившемся режиме асинхронного двигателя при питании от источника несинусоидального напряжения. Как видно из приведенных на рис. 5.8 характеристик, величина максимальных всплесков знакопеременных моментов в процессе пуска сохраняет примерно ту же величину, что и при синусоидальном напряжении, хотя время действия этих моментов несколько увеличено, что затрудняет выход двигателя на режим установившегося вращения. Характерной особенностью пуска при питании отШПЧ является "зубчатость" кривой момента на протяжении пуска, которая вызвана действием высших гармонических напряжения. Следует также отметить, что действие пульсирующих моментов сохраняется и при выходе на рабочую частоту вращения ротора, причем при заданной частоте питания Ж = 0,2 величина пульсаций электромагнитного момента достигает 50 % момента сопротивления на валу машины {Jic = 0,2). что иллюстрируется динамической характеристикой пуска, приведенной на рис. 5.9.
Измерение частоты вращения ротора и динамического момента на валу испытуемой машины
Для измерения переменной частоты вращения рот#ра в процессе торможения в установке используется тахогенератор постоянного тока ТГ (рис. 6.1). Как известно, основным требованиям к тахогенераторам является максимальное приближение их выходной характеристики к линейной. Это требование при исследовании переходных режимов тормоза и пуска является особенно важным в связи с широким диапазоном изменения частоты вращения ротора - от номинальной до нуля. В связи с этим в установке в качестве датчика частоты вращения применен электромашинный преобразователь типа У-І8-І с номинальной частотой вращения якоря СОн = 100 /сек, обладающий в диапазоне СО = (І...30) /сек практически линейной характеристикой (рис. 6.2). Для устранения искажающего влияния высокочастотных составляющих, вызванных коллекторными пульсациями, выход якорной обмотки ТГ шунтировался специально подобранным фильтром.
Одной из наиболее важных и сложных проблем при экспериментальном исследовании переходных процессов в электрических машинах является измерение динамического момента на валу. Болшинство способов измерения момента основаны на определении его косвенным путем при помощи измерения ускорения. Они могут быть разбиты на 2 основные группы: методы, использующие измерение усилий, возникающих при ускорении добавочной инерционной массы (инерционные методы), и методы, основанные на дифференцировании каким-либо способом характеристики изменения скорости / \55,5бЛ Существующий метод непосредственного измерения момента как произведения мгновенных значений векторов тока и потока с помощью датчиков Холла / 6,8,- / дает удовлетворительные результаты в основном для первых гармоник измеряемых величин, что неприменимо для исследования асинхронной машины, питающейся от СПЧ с явно выраженной несинусоидальностью выходного напряжения.
При проведении экспериментальных исследований пуска и торможения для измерения момента был вначале применен тензометри-ческий акселлерометр, изготовленный по конструкции, предложенной в / 45 /, сигнал тензодатчиков которого усиливался тензо-усилителем ТУ-89. Однако, ввиду невозможности идеальной соосности сочлененных в установке машин, которые соединены, к тому же, абсолютно жесткой муфтой, при работе установки возникают паразитные моменти, которые воспринимаясь, очень чувствительными тензодатчиками резко искажают характеристику тормозного момента. Кроме того, недостатком в обслуживании этого акселлеро-метра является необходимость частых операций по обеспечению надежности контактов ртутного токосъемника, что связано с весьма трудоемкими сборкой и разборкой последнего. В связи с этим для исследования динамических моментов в процессе торможения был использован способ электрического дифференцирования (при помощи емкости) выходного напряжения тахогенератора.
