Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Подождите немного. Документ загружается.

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

При моделировании тягового привода использовано математическое описание асин-

хронного двигателя, приведенное в § 3.1, § 3.4 и § 3.5. При моделировании транзисторных

преобразователей использовано их описание, приведенное в § 5.1. При моделировании диод-

ного выпрямителя использовано описание, приведенное в § 4.1. Особенностью модели тяго-

вого привода является описание движения вагона [96]. Оно поясняется рис.

7.4.3.

ω1

ω2

Rк

Mэм1

Rв

Mс1

Mэм2

∆ω

Mс2

Рис.7.4.3 Направления векторов скоростей, вращающих

я действия моментов сопротивления, при-

веденных к валам правого M

с1

и левого M

с2

двигателей.

В соответствии с рис.

7.4.3 линейному движению вагона соответствует уравнение:

моментов и размеры шахтного вагона

Принято, что двигатель АД

приводит в движение правые переднее и заднее колеса, а

двигатель АД

приводит в движение левые колеса. На рис.7.4.3 указано направление линей-

ного движения вагона со скоростью V, угловые частоты вращения двигателей ω

и ω

, раз-

ность частот вращения двигателей ∆ω, направления действия вращающих моментов правого

эм1

и левого M

эм2

двигателей, а также направлени

()

21 cc

M− , (7.4.1)

эмэм

MMM

JJJdt

−+

где ω – усредненная частота вращения двигателей, J

и J

– моменты инерции роторов двига-

телей, J

– момент инерции, полученный при преобразовании линейно движущейся массы

на в момент и вигателваго нерции массы, вращающейся с роторами д ей.

Для разности частот вращения двигателей справедливо уравнение:

(

−−=

ω∆

)

2121

ccэмэм

MMMM

JJJdt

, (7.4.2)

где J

– момент инерции, полу

круг вертикальной оси, в момен

ченный при преобразовании массы вагона, вращающейся во-

т инерции массы, вращающейся с роторами двигателей.

Частоты вращения роторов правого и левого двигателей

⎭

⎬

⎫

ω∆ω∆

−ω=ω+ω=ω

(7.4.3)

Номинальной частоте вращения двигателей ω

соответствует лин

на V

. Преобразование массы m

линейно движущегося вагона в момент инерции вращения

осущ

ейная скорость ваго-

ествляется из условия равенства кинетических энергий вращательного и линейного

движений:

вv

Преобразование инерционных масс вагона при поворотах в момент инерции враще-

ния J

(7.4.4)

тра колеса,

– расстояние от вертикальной оси вращения вагона до центра колеса, R

– радиус колес.

на валах двигателей поясняется также с помощью рис.7.4.3. На рисунке: L

– длина

вагона, L

– ширина вагона, A – расстояние от вертикальной оси вращения вагона до гори-

зонтальной оси вращения колес, В – расстояние от продольной оси вагона до цен

211

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Момент инерции вагона J

относительно вертикальной оси определяется из условия,

что масса вагона m

распределена по площади прямоугольника со сторонами L

и L

()

J +⋅= . (7.4.5)

Радиус вращения вагона:

BAR

+= . (7.4.6)

Момент инерции вагона при повороте, приведенный к валам двигателей:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ω⋅

⋅=

нв

. (7.4.7)

Определение моментов сопротивления M

и M

в формулах (7.4.1)-(7.4.2) поясняется

с помощью рис.

7.4.4, на котором изображен вагон, движущийся по наклонной плоскости.

Рис.7.4.4 Силы при движении вагона по наклонной плоскости

Сопротивление движению обусловлено углом наклона плоскости α, коэффициентом

сопротивления от деформаций грунтовой поверхности f

гр

, а также другими составляющими,

которые малы и поэтому не учитываются [97]. При массе вагона m

и ускорении свободного

падения g сила сопротивления определяется выражением:

(

)

грвc

fgmF +α= sin . (7.4.8)

Силы сопротивления приводятся к моментам сопротивления на валах двигателей из

условия равенства мощностей при прямолинейном и вращательном движении:

(

)

()

(

)

()

⎭

⎬

⎫

+α

=ω

+α

sin

sign

Vfgm

Msign

Vfgm

нгрв

(7.4.9)

В выражениях (7.4.9) учтено, что моменты сопротивления изменяют знак при измене-

нии направления движения, а также то, что поверхности, по которым движутся правые и ле-

вые колеса, могут иметь различные углы наклона α

и α

В модели тягового привода вагона описана микропроцессорная система управления.

Она включает в себя блоки векторного управления двигателями, блок управления выпрями-

телем и блок управления приводом в целом.

В блоки векторного управления поступают сигналы от датчиков выпрямленного на-

пряжения, датчиков фазных токов инверторов и датчиков частоты вращения двигателей. Из

блока верхнего

уровня поступают сигналы по заданным частотам вращения двигателей.

Управляющие воздействия формируются с использованием упрощенной модели двигателей.

В каждом блоке векторного управления имеются пропорционально-интегральные регулято-

ры потокосцепления ротора, частоты вращения и вращающего момента двигателя.

В блок управления выпрямителем поступают сигналы от датчиков фазных токов вы-

прямителя, от датчиков напряжения сети и

выпрямленного напряжения. При работе транзи-

сторного выпрямителя блок управления поддерживает выпрямленное напряжение на задан-

ном уровне, регулируя амплитуду переменного тока сети. При этом обеспечивается синусои-

дальная фо рма тока сети и коэффициент мощности, равный 1.

212

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Блок управления верхнего уровня получает сигналы от педали - по заданной частоте

вращения двигателей, от руля поворота - по разности частот вращения двигателей, а также

по фазным токам сети и выпрямленному напряжению. Сигналы по токам и напряжениям ис-

пользуются для определения мощности нагрузки. Если мощность выше номинальной, сигнал

с педали по заданной частоте

вращения двигателей уменьшается. Если мощность меньше

номинальной, сигнал по заданной частоте не корректируется. С указанным сигналом задания

по скорости двигателей складывается (для одного двигателя) и вычитается (для другого дви-

гателя) сигнал с руля поворота, и результирующие сигналы раздаются в блоки векторного

управления правого и левого инверторов. Таким образом, формируется гиперболическая

за-

висимость момента двигателей от частоты вращения – кривая постоянства мощности.

В соответствии с изложенным разработана математическая модель тягового привода

шахтного вагона с раздельным управлением правыми и левыми колесами. В модели траекто-

рии движения вагона по горизонтали (вправо и влево) и по вертикали (вверх и вниз) задают

ся таблицами

аданных кри-

вых. В модели отражены действия водителя, который, контролируя траекторию движения,

форми

выпрямленное напря-

жение ривода U

, мощность P

, вращающие моменты M

и M

и частоты вращения n

и n

правог и левого двигателей, высота трассы над горизонтом H, пути, пройденные правыми и

левым

. При расчетах осуществляется

сплайн-аппроксимация таблично з

рует воздействия на руль и педаль хода.

На рис.

7.4.5 приведен результат расчета процессов в системе при движении шахтного

вагона по трассе с подъемами, спусками и поворотами. Изображены:

и колесами S

и S

. Длина участка пути 150 м. Максимальный наклон трассы 12º.

Рис.7.4.5 Процессы при движении вагона по трассе с подъемами, спусками и поворотом

При движении вагона вверх потребляемая мощность увеличивается до ограничения,

выпрямленное напряжение U

сравнительно мало, вращающие моменты двигателей возрас-

тают, а частоты вращения снижаются. На спусках двигатели переходят в генераторный ре-

жим работы, мощность P

становится отрицательной, выпрямленное напряжение U

увели-

чивается. Поворот вагона на 90º начинается на 79 с. Разность путей, пройденных правыми и

левыми колесами S

-S , в начале пути равна 0. На 79 с она увеличива

1 2

ется и после поворота

остается постоянной.

213

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

§ 7.5 Тяговый привод постоянно-переменного тока для

электропоездов метрополитена

Тяговый привод постоянно-переменного тока разрабатывался на «Электросиле» для

электропоездов метрополитена. Привод имеет конкретное назначение, но он рассматривает-

ся также как прототип других подобных систем. Руководил разработкой Цыганков А. С.

Систему векторного управления разработал Серов Н. А.

Упрощенная схема тягового привода представлена на рис.

7.5.1.

in1 in2

АД1

АД2

АД3

АД4

ИУИУ

СУ

uкс

Рис.7.5.1 Упрощенная схема тягового привода электропоездов

В состав тягового привода входит LC-фильтр входного напряжения, блок резисторов,

два транзисторных инвертора с системой управления и четыре асинхронных двигателя АД

–

АД

. Питание электропривода осуществляется от контактной сети постоянного напряжения

750 В. Напряжение контактной сети может изменяться в пределах от 550 В до 975 В.

Во входном фильтре используются конденсаторы емкостью 0,0048 Ф. Индуктивность

дросселя входного фильтра 0,004 Гн. Входной LC-фильтр размещается в подвагонном кон-

тейнере, фотография которого представлена на рис.

7.5.2.

Рис.7.5.2 Подвагонный контейнер с входным фильтром

214

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Инверторы тягового привода выполнены на транзисторных модулях IGBT и имеют

мощность по 340 кВт каждый. Входное напряжение инверторов соответствует напряжению

контактной сети. Выходное номинальное напряжение инверторов 530 В. Выходное напряже-

ние регулируется от 0 до номинального. Номинальная частота выходного напряжения 50 Гц.

Выходная частота регулируется от 0 до 125 Гц.

Два инвертора тягового привода размещаются в контейнере, фотография

которого

представлена на рис.

7.5.3.

Рис.7.5.3 Подвагонный контейнер с транзисторными инверторами

В этом же контейнере размещается блок резисторов, который используется при тор-

можении поезда. Фотография блока резисторов представлена на рис.

7.5.4.

Рис.7.5.4 Блок тормозных резисторов тягового привода

В контейнере с транзисторными инверторами и тормозными резисторами размещает-

ся также система управления тягового привода. Фотография микропроцессорного блока

управления представлена на рис.

7.5.5

215

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Рис.7.5.5 Блок управления тягового привода

Тяговые двигатели типа ТАД41 подключены по два к каждому инвертору. Двигатели

выполнены асинхронными короткозамкнутыми и имеют следующие параметры. Номиналь-

ная мощность 170 кВт, напряжение 530 В, ча ащ

1477 об/мин, коэффициент мощности 0,8829, коэффициент полезного действия 0,928, коэф-

фициент насыщения 1,124, индуктивность рассеяния обмотки статора 0,104 о.е., активное

сопротивление обмотки статора 0,0167 о.

е. в холодном состоянии и 0,0234 в нагретом со-

стоянии, индуктивность намагничивания 2,973 о.е. Если используется модель машины, в ко-

торой учитывается вытеснение тока в роторе (§ 3.5), то обмотка ротора представляется схе-

мами замещения по осям d и q, изображенными на рис.

3.6.1. В схемах l

s21

=0,016 о.е.,

s22

=0,018 о

ается постоянным напряже-

ние двигателей. При этом магнитный поток двигателей уменьшается по мере увеличения

частоты вращения.

ста-

новки, представленная на рис.

7.5.6.

стота напряжения 50 Гц, частота вр ения

о.е., l

s23

=0,023 о.е., l

s24

=0,038 о.е., r

=0,15 о.е., r

=0,11 о.е., r

=0,055 .е.,

=0,035 о.е.

В номинальном режиме работы двигателей (частота напряжения статорных обмоток

50 Гц) электропоезд имеет скорость движения 40 км/час. Максимальная скорость движения

электропоезда 90 км/час. В диапазоне скоростей от 0 до 40 км/час магнитный поток двигате-

лей поддерживается постоянным, а напряжение приблизительно пропорционально частоте

вращения. В диапазоне скоростей от 40 до 90 км/час

поддержив

Расчеты режимов работы тягового двигателя ТАД41 описаны в § 3.6.

При расчетах режимов работы тягового привода используется схема замещения у

кс

i1 i2 i3

lкс

idi

АД

Рис.7.5.6 Расчетная схема тягового привода

В схеме рис.7.5.6 рассматривается один инвертор, два параллельно включенных дви-

гателя представлены одним эквивалентным двигателем удвоенной мощности (340 кВт). Кон-

тактная сеть представлена источником ЭДС e

кс

и индуктивностью l

кс

216

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

На рис.7.5.7 и в таблице 7.5.1 представлен результат расчета режима работы привода,

в котором эквивалентный тяговый двигатель имеет напряжение 530 В, частоту напряжения

50 Гц и нагрузку 340 кВт. При этом принято, что ЭДС контактной сети равна 845 В, а инвер-

тор работает без перемодуляции при частоте ШИМ, равной 2000 Гц.

Рис.7.5.7 Токи и напряжения привода и электромагнитный момент в

номинальном режиме работы двигателей

Таблица 7.5.1 Результаты анализа номинального режима работы тягового привода

Ток входного дросселя, А

425.730

Напряжение конденсатора, В

Ток конденсатора, А

844.495

219.977

Ток транзистора, А

Среднее значение

290.505

Максимальное значение

167.070

682.916

Ток обратного диода, А

Среднее значение

Максимальное значение

104.514

27.897

635.845

Напряжение 1 фазы 1 обмотки двигателя, В 366.916

Частоты гармоник, Гц

1900

2100

3950

4050

5800

6200

Действующие значения

306.136

97.729

98.103

47.830

48.521

46.577

47.088

Фазы, гр.

-40.3309

171.6223

11.0424

42.9312

141.8605

73.4321

115.1241

Ток 1 фазы эквивалентного двигателя, А 436.010

Частоты гармоник, Гц

150

1900

2100

3950

4050

580

620

Действующие значения

433.638

4.442

31.461

28.416

7.604

7.441

Фазы, гр.

-68.1496

-88.1911

85.1980

-75.7859

-44.2544

55.2359

0.8695

4.926

4.619

-1

27.6105

Магнитный поток эквивалентного двигателя, %

100.080

Электромагнитный момент двигателя, %

Скольжение, %

101.815

1.528

217

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

§ 7.6 Система преобразования механической энергии с

асинхронными генератором и двигателем

В качестве источников электроэнергии используются обычно синхронные генерато-

ры. С появлением транзисторных модулей большой мощности расширились перспективы

применения асинхронных генераторов. Автономные системы с асинхронными генераторами

могут использоваться в ветроэлектрических установках, на теплово

грузоподъемности, на судах [92]. Структурная схема такой установ

полнении представлена на рис.

7.6.1.

зах, самосвалах большой

ки в простейшем ее ис-

Рис.7.6.1 Структурная схема системы с асинхронным генератором

В схеме рис.7.6.1 в нормальном режиме работы энергия передается от дизеля к на-

грузке через асинхронный генератор АГ, транзисторный выпрямитель ТВ, транзисторный

инвертор ТИ и асинхронный двигатель АД. К цепи выпрямленного напряжения подключена

аккумуляторная батарея АБ с широтно-импульсным преобразователем. В систему управле-

ния СУ посту сигналы

и I

инвертора I

Си импуль-

сов уп

ный выпрямитель и асинхронный генератор мо-

гут выполнять функ использовании в

качестве первичног

Для выш ия ресурса рвич го д ател пов ени стем

рег рова частоты вращения генератора широком д азон при абил ции -

пря нно постоянно ровн Изменение тоты ращ я ге атор

вли на возможные кратности регр асинхронного дв ател о вращающему момен-

ту в не низких частот. Эта осо ност ажн тяговых

ано .

Перегрузки по в зоне низких частот

связаны

й мощности возможна работа

двигателя от аккумуляторной батареи при остановленном генераторе.

При отключенном генераторе возможно создание с помощью транзисторного выпря-

мителя сети переменного напряжения с питанием ее от аккумуляторной батареи

Установки с асинхронными генераторами по сравнению с аналогичными системами с

синхронными генераторами имеют также некоторые другие преимущества. Асинхронный

генератор имеет простейшую конструкцию и не содержит скользящих угольных контактов.

пают по выпрямленному напряжению U

, токам выпрямителя

, I

. стема управления формирует управляющие воздействия в виде

равления выпрямителем ИУВ, инвертором ИУИ, широтно-импульсным преобразова-

телем ИУЗ. Рассматриваемая установка обладает следующими особенностями.

Аккумуляторная батарея, транзистор

ции стартера или пускового устройства, что важно при

о двигателя дизеля или газовой

турбины.

по ен пе но виг я и ыш я КПД си ы возможно

ули

мле

ние

го напряжения

е.

иап

час

ст

ени

иза

нер

вы

а не на м у

яет пе узок иг я п

зо бен

двигателя

ь в а для

вращающему

уст

моменту

вок

асинхронного

с перегрузками по току только инвертора. При этом нагрузка выпрямителя и генера-

тора обычно не превышает номинальной.

Зарядка и подзарядка аккумуляторной батареи могут осуществляться независимо от

режима работы генератора и двигателя, в том числе одновременно с выполнением ими

ос-

новных функций.

В системе возможна рекуперация энергии, возможно накопление рекуперируемой

энергии во вращающихся массах первичного двигателя.

При использовании аккумуляторной батареи достаточно

218

Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями

Не требуется возбудитель и связанное с ним дополнительное оборудование. Асинхронные

генераторы обладают большей пожаробезопасностью, чем синхронные генераторы. При ко-

ротких замыканиях их магнитный поток затухает достаточно быстро и исчезает основная

причина возможного возгорания. Токи короткого замыкания асинхронных генераторов

меньше, и требования к коммутационной аппаратуре и ко многим другим элементам системы

ниже

. При сбросе нагрузки синхронных генераторов возможно значительное увеличение их

напряжения (до 40 %). В установках с асинхронными генераторами этот недостаток отсутст-

вует, и требования к элементам системы по напряжению также ниже.

На рис.

7.6.2 представлена диаграмма токов, напряжений и других переменных систе-

мы с асинхронным генератором и транзисторным преобразователем в переходных режимах

работы.

Рис.7.6.2 Переходные процессы в системе с асинхронным генератором

На рис.7.6.2 изображены: магнитный поток в зазоре Ф

аг

и электромагнитный момент

эм

асинхронного ген теля М

пд

, частота вра-

щения генератора n, фазный

аг

транзисторного

преобразователя

на заданном уровне выпрямленного напряжения U

. Система

управления установки построена таким образом, что при снижении мощности в звене посто-

янного

двигателя n. На

рис.

7.6 ную частоту вращения генератора начинается при

t=2,7 c. При t=4,6 с восстан бота системы с номинальной частотой вращения

генератора.

ератора, вращающий момент первичного двига

ток генератора I

, выпрямленное напряжение

, ток аккумуляторной батареи I

аб

, мощность в звене выпрямленного на-

пряжения P

Перед включением транзисторного преобразователя разгон асинхронного генератора

осуществляется первичным двигателем. Затем включается в работу аккумуляторная батарея

и транзисторный выпрямитель, который, работая в режиме широтно-импульсной модуляции,

обеспечивает увеличение магнитного потока генератора Ф

аг

до заданного уровня, а также

обеспечивает стабилизацию

тока P

пропорционально снижается частота вращения первичного

.2 процесс перехода на понижен

авливается ра

219

Пронин М. В., Воронцов А. Г., Калачиков П. Н., Емельянов А. П.

Глава 8 Методы ами с

двигателями

§ е описание асинхронного двигателя в

х управления

асинхронным короткозамкнутым двигателем, питающимся

от авто обычно задаются частота напряжения питания обмотки

статора ских составляющих напряжений фаз. При этом фактиче-

ская ча от заданной частоты напряжений на величину скольже-

ния. Пр я использовать датчики напряжения и тока

двигателя, дат-

чик час я производить сложные вычисления в системе управле-

ния. В математическое описание двигателя и его параметры

не нуж тся наиболее простым и дешевым. Но в таком приводе не контролиру-

ется фа вигателя, и при колебаниях напряжения

питания при измене-

ниях ре е недоиспользование установленного силового оборудо-

вания. им регулированием свойственны значительные колебания токов фаз,

магнит я двигателя. Особенно значительными

могут б новках сравнительно большой мощности, в которых двигатели обла-

дают о ивными сопротивлениями. В этих случаях

апериодические токи,

возника имах, затухают сравнительно медленно. В некоторых приводах

при опр работы указанные колебания оказываются столь значительными, что

работоспособность привода при простейшем частотном управлении обеспечить не удается

(см. § 7

плекты

ия этих векторов, частота

вращен

ующих вычислительных устройств, например, современных сигнальных

процес

ских мо

сти полупроводниковых преобразователей. В тяговых приводах недоиспользование

оборуд

тах и, вследствие этого, –

к ограничениям по максимальной частоте вращения.

управления электропривод

асинхронными

8.1 Математическо

система

При простейшем управлении

номного инвертора напряжения,

и амплитуда основных гармониче

стота вращения ротора отличается

и таком управлении не требуетс

тоты вращения ротора, не требуетс

этом случае для системы управления

ны. Привод оказывае

ктический магнитный поток д

жима работы возможно некоторо

Приводу с простейш

ного потока, вращающего момента, частоты вращени

ыть колебания в уста

тносительно малыми акт

ющие в переходных реж

еделенных условиях

.2), и необходим переход к более сложным алгоритмам управления.

Для высококачественного управления асинхронным двигателем в широком диапазоне из-

менения

частоты вращения ротора необходимо быстро и точно регулировать магнитный поток и

вращающий момент машины, чтобы обеспечить необходимые изменения частоты вращения. В

системах управления для получения требуемых потока и момента асинхронного двигателя осуще-

ствляются измерения его токов, напряжений, частоты вращения (применяются различные ком-

датчиков). Переменные, недоступные прямому измерению, но необходимые

для регулиро-

вания, вычисляются при использовании более или менее сложных математических моделей.

В дальнейшем измеренные и вычисленные характеристики асинхронного двигателя, одно-

значно определяющие его электромеханическое состояние, будем называть координатами (модули

и фазы векторов напряжений, токов, магнитных потоков, частоты вращен

ия ротора).

Операции измерений и вычисления координат двигателя в

приводах с микропроцессорны-

ми системами управления выполняются дискретно с максимальной частотой, которую позволяет

реализовать конкретная система. Чем выше частота измерений и вычислений, тем более качест-

венное регулирование удается обеспечить.

Одним из направлений совершенствования систем управления является применение в них

наиболее быстродейств

соров.

Другим направлением является

совершенствование алгоритмов управления, математиче

делей двигателя, преобразование моделей к такому виду, который позволяет производить

минимальное количество математических операций в каждом цикле работы системы управления.

Следует отметить и другую сторону большей или меньшей эффективности систем управ-

ления асинхронным двигателем. От выбора тех или иных алгоритмов управления напрямую зави-

сит использование установленной

мощности силового оборудования – полупроводниковых преоб-

разователей и двигателей. В частности, для многих алгоритмов управления характерно значитель-

ное недоиспользование инверторов по напряжению. Это приводит к соответствующему увеличе-

нию стоимо

ования по напряжению приводит к снижению критического момента двигателя при повы-

шенных часто

220