Повышение технических характеристик электрической передачи переменного тока, страница 2

Недостатком асинхронного двигателя как электромеханического объекта является процесс передачи мощности, необходимой для создания магнитного потока, через статорную обмотку. За счет намагничивающего тока увеличивается ток статорной обмотки, повышая ее тепловую нагрузку /16/. В результате снижается кпд и коэффициент мощности электродвигателя. Так как расчетная мощность, определяющая размеры машины, обратно пропорциональна коэффициенту мощности, масса и размеры асинхронного двигателя снижаются не в той мере, в какой можно было бы ожидать. Удовлетворительная величина коэффициента мощности (0,8…0,85) может быть получена лишь при малом воздушном зазоре, а это, в свою очередь снижает эффективность охлаждения обмоток и предъявляет повышенные требования к точности изготовления и технологии ремонта двигателя.

Сопоставление технических характеристик тяговых электродвигателей зарубежных стран и отечественного производства показывают, что за счет повышения допустимой частоты вращения ротора в тех же габаритах ТАД могут быть выполнены с мощностью в 1,5…2 раза выше, чем коллекторные двигатели, при одновременном снижении массы на 30-50%  /10/ (табл. 1.1). При этом значительно снижается расход цветного металла, изоляции и электротехнической стали.

Таблица 1.1.

Сравнительные показатели коллекторных и асинхронных тяговых двигателей локомотивов

Тип двигателя	Страна Изготовитель	Мощность кВт	Полная масса, кг	Масса меди, кг	Масса, к единице мощности кг/кВт	Масса изляцион-ных мате-риалов, кг
Коллекторный: ТЛ-2К НБ-418К6 Асинхронный: ЭТА-1200 НБ-602 НБ-607 BQq4843 BAZ10577/6 M-4-1300	СССР СССР СССР СССР СССР Швейцария ФРГ Италия	650 790 1200 1200 900 1400 1430 1300	4760 4350 3650 3900 4200 2380 2320 2800	505 586 375 381 - - - -	7,23 5,52 3,04 3,25 4,67 1,7 1,6 1,6	39 32 14 13 - - - -

Сравнительный анализ допустимых удельных нагрузок тяговых коллекторных и асинхронных двигателей для диапазона мощностей от 100 до 1500 кВт, выполненный фирмой ВВС (Швейцария), позволил выявить следующее /10/:

тангенциальная сила тяги, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для ТАД в 1,5-2 раза больше, чем для коллекторных тяговых двигателей, и достигает 5 Н/см²;

мощность, отнесенная к единице площади поверхности ротора, для АТД в 2 раза больше и достигает 0,25-0,3 кВт/см²;

линейная скорость ротора ТАД может достигать 80-90 м/с, что значительно превышает допустимые значения линейной скорости для коллекторных машин;

при сохранении частоты вращения ротора ТАД на уровне частоты вращения якоря коллекторного двигателя в тех же габаритах ТАД может реализовать момент на 50% больше;

по удельной мощности ТАД в 2-2,5 раза превосходит коллекторные тяговые двигатели, а его кпд при рациональном алгоритме управления выше кпд двигателей постоянного тока.

Частотное управление ТАД с использованием тиристорных преобразователей дает возможность создать асинхронные тяговые приводы с высокими регулировочными свойствами. При частотном управлении для обеспечения регулировочных свойств двигателя одновременно с изменением частоты питающего напряжения f₁ необходимо изменять и амплитуду напряжения на зажимах двигателя U₁.

Различают системы частотного управления асинхронными двигателями /17/:

разомкнутые системы управления параметрами напряжения первичной цепи по алгоритму, определяемому нагрузкой двигателя;

замкнутые системы регулирования параметров напряжения первичной цепи по заданному алгоритму в зависимости от частоты вращения ротора и величины нагрузки двигателя;

поисковые системы экстремального регулирования, обеспечивающие максимальное значение кпд h (минимум полных потерь) или максимальное значение величины (h ^. cosf) во всем диапазоне изменения скорости и нагрузки двигателя, где cosf - коэффициент мощности электродвигателя.

Академиком М.П. Костенко сформулирован закон управления для разомкнутых систем управления ТАД:

                                           (1.1)

где - электромагнитный момент, амплитуда и частота напряжения цепи обмотки статора на номинальном режиме;

- текущие значения электромагнитного момента, амплитуды и частоты напряжения цепи обмотки статора.

В случае идеального двигателя (активное r₁ и реактивное сопротивление x₁ первичной цепи равны нулю) с ненасыщенной магнитной системой двигателя управление ТАД по алгоритму (1.1) обеспечивает работу двигателя во всем диапазоне изменения нагрузки с постоянной перегрузочной способностью и минимальные потери /17/.

Для реального двигателя ( r₁>0 и  x₁ >0 ) вектор фазного напряжения определяется из уравнения электрического состояния цепи статора:

,

где - эдс фазы статора;

 - постоянный коэффициент;

 - относительная частота питающего напряжения;

- комплексная амплитуда основного потока;

 - реактивное сопротивление обмотки статора;

- реактивное сопротивление обмотки статора при номинальной частоте напряжения.

Регулирование напряжение при постоянной нагрузке ( M=const или Р₁=const, где Р₁ – активная составляющая электрической мощности на входе в двигатель ) в соответствии с (1.1) сопровождается изменением потока вследствие изменения падений напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмотки статора, т.к. из (1.1) основной поток машины определится отношением амплитуды фазного тока  и фазного напряжения к его частоте:

.

При увеличении значения  f₁ уменьшение потока приводит к снижению электромагнитного момента и недоиспользование мощности двигателя; при  уменьшении частоты f₁  поток будет возрастать, что приведет к насыщению магнитной системы, росту намагничивающего тока, уменьшению коэффициента мощности и кпд двигателя, кроме того при низких частотах на значение потока особенно сильно сказывается влияние активного сопротивления r₁.