ПЗ (1230990), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

1.2.1.1 Регулирование по абсолютному скольжению

Для устойчивой работы асинхронного двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие механического и нагрузочного моментов. С увеличением нагрузки на валу двигателя должен возрастать и его механический момент. В узком диапазоне скольжения так и происходит: при увеличении нагрузки частота вращения ротора уменьшается, то есть возрастает скольжение, а повышение скольжения вызывает увеличение механического момента двигателя по характеристике представленной на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Зависимость момента асинхронного двигателя от скольжения при постоянных значениях частоты и амплитуды питающего напряжения: – пусковой момент; – критическое скольжение

Однако устойчивое увеличение момента возможно только тогда, когда скольжение больше нуля, но меньше критического скольжения. За границей этого диапазона равновесие моментов не восстанавливается и ротор двигателя останавливается (двигатель «опрокидывается»).

Для целей электропривода большое значение имеет механическая характеристика электродвигателя, то есть зависимость момента от частоты вращения ротора, она представлена на рисунке 1.11.

Она определяется при постоянной частоте вращения поля (а соответственно и частоте питающего напряжения ), поэтому отличается от характеристики зависимость момента от скольжения только положением относительно осей координат. Именно механические характеристики асинхронного тягового двигателя на участках устойчивой работы формируют тяговую характеристику локомотива (рисунок 1.12) [1].

Наличие режимов неустойчивой работы асинхронного двигателя предъявляют особые требования к управлению его моментом в системах электропривода. Как известно, электромагнитная мощность асинхронного двигателя

, (1.2)

где – модуль электромагнитного момента двигателя;

– угловая скорость магнитного поля двигателя;

– число пар полюсов обмотки статора.

Рисунок 1.11 – Механическая характеристика асинхронного двигателя при постоянных значениях частоты и амплитуды питающего напряжения: – частота вращения ротора

Рисунок 1.12 – Формирование тяговой характеристики локомотива из механических характеристик тягового асинхронного двигателя

Механическая мощность на валу двигателя зависит от угловой скорости вращения ротора

. (1.3)

Поскольку в роторе асинхронного двигателя магнитные потери практически равны нулю, а механические потери очень малы, приблизительно можно считать, что разность между его электромагнитной и механической мощностью составляют электрические потери в роторе

, (1.4)

где – приведенный ток фазы обмотки ротора;

– фазное напряжение обмотки статора;

, – активное и реактивное сопротивления фазы обмотки статора;

, – активное и реактивное сопротивления фазы обмотки ротора, приведенные к параметрам фазы обмотки статора;

– относительное скольжение.

После преобразования получаем:

, (1.5)

откуда электромагнитный момент двигателя

. (1.6)

Из формулы электромагнитного момента двигателя следует, что асинхронный двигатель является трехпараметрической электромагнитной системой, так как его момент определяется значениями трех параметров режима работы . В частности, одно и то же значение момента можно получить при разных значениях частоты и амплитуды фазного напряжения (или фазного тока) обмотки статора. Иллюстрацией этому является -образная характеристика асинхронного двигателя, которая получается при постоянных значениях электромагнитного момента и частоте питающего напряжения (рисунок 1.13). При изменении значения скольжения значение фазного тока статора будет меняться, достигая своего минимума при оптимальном значении скольжения .

Рисунок 1.13 – U-образные (1) и П-образные (2) характеристики асинхронного электродвигателя

Зависимость коэффициента полезного действия от скольжения при постоянной частоте питающего напряжения и постоянном электромагнитном моменте называется П-образной характеристикой асинхронного двигателя (рисунок 1.13). Если пренебречь магнитными и механическими потерями, которые в тяговом двигателе не превышают 15 процентов, то можно считать, что минимальному значению тока статора будет соответствовать максимальное значение его коэффициента полезного действия . Очевидно, чтобы двигатель наиболее эффективно использовать в энергетической цепи локомотива, система управления должна обеспечить его работу по экстремумам U- или П-образных характеристик.

Каждая точка тяговой характеристики локомотива { ; } определяется значениями { ; } (рисунок 1.12), что позволяет установить значение (рисунок 1.13). В соответствии с на каждой точке тяговой характеристики частота питающего напряжения определится как , а максимально возможный момент двигателя . Это значит, что для формирования тяговой характеристики локомотива необходимо независимо управлять значением частоты фазного напряжения – обеспечивая заданную скорость движения, и модулем амплитуды тока обмотки статора (или напряжения на обмотке статора) – обеспечивая заданное значение силы тяги. В соответствии с требованием независимого управления значениями и система управления асинхронным тяговым приводом локомотива должна иметь два контура, а закон управления – обеспечивать функциональную связь между контурами управления частотой и модулем тока (напряжения) обмотки статора (так как момент зависит от частоты ).

1.2.1.2 Закон управления М.П. Костенко

В 1925 году академик М.П. Костенко сформулировал закон оптимального управления асинхронным двигателем. Закон М.П. Костенко справедлив при следующих условиях:

– трехфазное синусоидальное напряжение на обмотке статора двигателя;

– ненасыщенная магнитная цепь (пренебрежимо малое значение тока холостого хода);

– пренебрежимо малое значение активного и реактивного сопротивлений фазы обмотки статора;

– постоянное значение абсолютного скольжения (при критическом скольжении большем или равным скольжению) [1].

Этот закон сформулирован следующим образом: чтобы обеспечить работу асинхронного двигателя с максимальными значениями коэффициента полезного действия, коэффициента мощности и перегрузочной способностью при разных значениях и , напряжение на обмотке статора нужно изменять по зависимости:

, (1.7)

где и – величины, соответствующие значению , а и соответствующие значению .

Зависимость (1.7) вытекает из следующих соображений. С учетом того, что и стремятся к нулю и имеем

. (1.8)

Выполнив подстановку и домножив дробь на , получим

. (1.9)

Компонуя переменные и постоянные величины

. (1.10)

Зависимость (1.10) и является преобразованным выражением закона М.П. Костенко; в частности, для управления силой тяги локомотива из него следует (рисунок 1.14):

– при трогании локомотива, когда требуется поддерживать силу тяги и силу сцепления колеса с рельсом постоянной и электромагнитный момент двигателя также должен оставаться постоянным, алгоритм управления двигателем выражается зависимостью

; (1.11)

– работа локомотива с постоянной мощностью реализуется при алгоритме управления двигателем

(1.12)

или, что примерно то же самое

;

– когда напряжение при увеличении скорости достигает номинального значения и должно оставаться в дальнейшем постоянным, алгоритм управления двигателем должен быть следующим:

(или ). (1.13)

Рисунок 1.15 – Зависимости на разных участках тяговой характеристики локомотива

Алгоритм М.П. Костенко в настоящее время используется, как правило, для управления промышленными асинхронными двигателями невысокой мощности [1].

1.2.2 Системы векторного управления асинхронным тяговым двигателем

1.2.2.1 Система трансвекторного управления моментом двигателя

Полная управляемость электроприводом обеспечивается, если обеспечивается управление электромагнитным моментом двигателя [2]. Момент двигателя образуется в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора или потокосцепления одного и тока другого. Для управления моментом обе величины должны быть независимы друг от друга, и тогда одну из них можно поддерживать постоянной, а с помощью другой осуществлять регулирование. В двигателе постоянного тока существуют две раздельные электрические цепи – обмотки якоря и обмотки возбуждения – для управления моментом. В асинхронных двигателях с короткозамкнутой обмоткой ротора есть только одна цепь – обмотка статора, в которой объединены обе составляющие, и в задачу системы управления входит функция их разделения.

В 1971 году фирма Siemens запатентовала принцип трансвекторного управления асинхронным двигателем FOС (field-oriented control). Его математической основой являются уравнения электромагнитных процессов двигателя в векторной форме, представленные в системе координат, одна из осей которой совмещена с вектором вращающегося магнитного поля (ориентирована по вектору поля). Отсюда и происходит название способа. Этот метод управления моментом успешно используется до настоящего времени.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя может быть представлен любой парой векторов токов и потокосцеплений его обмоток. Однако от выбора векторов в значительной мере зависит степень сложности системы управления моментом. Желательно, чтобы эти векторы были наблюдаемы, то есть чтобы их можно было непосредственно измерить и воздействовать на них при управлении моментом. У двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора есть только две такие величины – это напряжение и ток статора, и только одна из них, а именно ток статора, может входить в уравнение момента. Тогда другой величиной может быть только ток ротора или какое-либо потокосцепление. Ток ротора принципиально не наблюдаем. Поэтому для выбора остаются три потокосцепления: статора, ротора и основного потока [2].

Характеристики

Список файлов ВКР