Асинхронные тяговые двигатели — Перевод асинхронной машины в генераторный режим
Асинхронная машина способна перейти в генераторный режим при выполнении двух условий: 1) частота вращения ротора fвр должна быть выше частоты вращающегося магнитного поля статора f2, при этом абсолютное скольжение ротора f2= f1 — fвр — отрицательная величина; 2) должно быть обеспечено поступление в обмотки статора реактивной составляющей тока, необходимой для создания магнитного потока.
Первое условие обычно выполняется с помощью автоматического регулятора частоты, который измеряет частоту вращения ротора fвр и осуществляет регулирование частоты статора в соотношении f2 = fвр ± f2уст, причем в режиме тяги регулятор суммирует заданную уставку абсолютного скольжения f2уст с частотой fвр. При переводе машины из тягового в тормозной режим регулятор частоты f2 необходимо перевести из режима суммирования значений fвр и f2уcт в режим вычитания.
Выполнение второго условия зависит от конкретного варианта питающей сети и схемы преобразователя.
В дальнейшем будем считать, что перевод асинхронной машины в генераторный режим производится только при наличии напряжения в контактной сети, поскольку по требованиям безопасности в случае исчезновения питающего напряжения машинист должен остановить поезд пневматическим тормозом. Поэтому не рассматриваем способы реализации реостатного торможения асинхронной машины при отсутствии питающего напряжения. Электроснабжение электрифицированных железных дорог имеет высокую степень резервирования, и перерывы питания наблюдаются весьма редко. В этой связи следует отметить, что на электровозах Е-120 производства ФРГ система независимого от сетевого напряжения резисторного торможения была демонтирована, так как опыт эксплуатации показал, что случаи перерыва питания крайне редки и достаточно иметь на электровозе только систему рекуперативного торможения. Вначале рассмотрим процесс перевода тяговой асинхронной машины в генераторный режим при использовании в преобразователе автономного инвертора тока. При этом важно иметь в виду, что если заданное абсолютное скольжение fауст уменьшить до нуля, то на выходе регулятора частоты получим f1= fвр, т. е. асинхронная машина будет работать в режиме синхронной скорости. Если при этом на статор подано напряжение, то по его обмоткам протекает только намагничивающий ток, а момент машины равен нулю, т. е. условие f2уст = 0 соответствует режиму выбега локомотива.
Согласно принципу работы АИТ направление входного тока Id остается неизменным в двигательном и генераторном режимах асинхронной машины. Поэтому перед торможением следует вначале с помощью регулятора частоты перевести машину в режим синхронной скорости при f2густ = 0. При этом на инвертор должно быть подано напряжение Ud, полярность которого является для инвертора прямой, т. е. соответствующей тяговому режиму асинхронной машины. Напряжение Ud при этом незначительно, поскольку ток Id должен быть равен намагничивающему току, т. е. составлять примерно 30% номинального тока статора. При таких условиях асинхронная машина находится в режиме холостого хода и имеет магнитный поток, близкий к номинальному.
Перевод машины в генераторный режим заканчивается увеличением абсолютного скольжения до заданного значения f1уст с одновременным изменением полярности напряжения Ud на обратную (соответствующую генераторному режиму). Напряжение Ud должно быть затем увеличено для достижения заданного тока Id.
Последняя операция, т. е. изменение полярности напряжения Ud и регулирование его значения, наиболее просто может быть выполнена при питании АИТ через управляемый выпрямитель от сети переменного тока. В этом случае выпрямитель УВ (рис. 9.9, а) путем изменения угла отпирания тиристоров переводится из режима выпрямления в режим ведомого сетью инвертора ВСИ.
При питании от сети постоянного тока для изменения полярности напряжения Ud на входе инвертора требуются более сложные схемотехнические решения. В качестве примера на рис. 9.9, б представлена схема, реализованная фирмой Siemens на вагонах метрополитена.
Рис. 9.9. Схемы преобразователей на основе ЛИТ для режимов тяги и торможения
В тяговом режиме контактор К замкнут, напряжение Ud и ток Id регулируются с помощью тиристорного импульсного прерывателя ИП. При этом полярность напряжения на входе АИТ прямая (точка 1 подключена к «плюсу» Ud). Во время закрытого состояния ключа VS1 ток Id замыкается через диод VD2.
При переводе ЭПС в тормозной режим вначале осуществляется режим холостого хода асинхронной машины при f2уст = 0 и ток Id устанавливается на уровне номинального тока намагничивания. Затем выключается контактор К. В результате, как показано на рис. 9.9, в, полярность напряжения на входе АИТ становится обратной, поскольку к «плюсу» питающего источника через диод VD1 подключена точка 2. Регулирование напряжения Ud и тока Id производится с помощью ключа VS1, который периодически соединяет накоротко точки 1 и 2. Диод VD2 при этом исключает режим короткого замыкания питающего источника.
Перейдем к рассмотрению процесса перевода асинхронной машины в генераторный режим при использовании преобразователя с автономным инвертором напряжения, в цепях обратного тока которого используются диоды. Согласно принципу работы такого инвертора при переводе асинхронной машины из двигательного в генераторный режим полярность напряжения Ud на входе остается неизменной, а направление среднего (выпрямленного) тока Id изменяется на противоположное (рис. 9.10). Поэтому наиболее просто перевести асинхронную машину из двигательного в генераторный режим можно в том случае, если питающий источник обладает двусторонней проводимостью.
Таким свойством обладает сеть постоянного тока при ее непосредственном подключении к входу АИН (рис. 9.11, а). Считаем, что в инверторе напряжение регулируется внутренними средствами (методом ШИМ). В этом случае перевод асинхронной машины в генераторный режим осуществляется весьма просто и могут быть использованы два способа: без отключения инвертора от питающей сети и с отключением. В первом случае вводимую в регулятор частоты уставку скольжения вначале уменьшают до нуля и асинхронная машина переходит в режим холостого хода, потребляя намагничивающий ток, а ток Id практически становится равным нулю (рис. 9.10, б). Затем путем переключения регулятора в режим вычитания частот и повышения уставки абсолютного скольжения f1уст до требуемого значения переводят асинхронную машину в генераторный режим.
Рис. 9.10. Принципиальная схема ЛИН и диаграммы его напряжения и токов в режимах тяги (а), холостого хода (б) и торможения (в)
Рис. 9.11. Схемы преобразователей на основе АИН для режимов тяги и торможения
Во втором случае вследствие прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора отключают асинхронную машину от питающей сети. Локомотив при этом движется в режиме выбега, магнитный поток машины равен нулю. Перед вводом машины в генераторный режим переключают регулятор в режим вычитания частот, вводят в него заданное абсолютное скольжение и включают цепи, подающие на тиристоры сигналы управления. Напряжение на выходе инвертора постепенно повышают. Реактивная составляющая тока, создающая магнитный поток в асинхронной машине, поступает через тиристоры инвертора, которые подключены по отношению к полярности питающего напряжения сети в прямом направлении.
Первый из рассмотренных способов целесообразно применять в тех случаях, когда требуется быстро перевести машину из тягового в тормозной режим, второй способ — когда после прекращения тягового режима локомотив довольно продолжительное время движется в режиме выбега.
На линиях, электрифицированных по системе переменного тока. АИН получают питание через однофазный выпрямитель. Условие двусторонней проводимости питающего источника выполняется только в том случае, если встречно-параллельно выпрямителю В включен ведомый сетью инвертор ВСИ (рис. 9.11, в). Отметим, что четырехквадрантный преобразователь, используемый на электровозах Е-120 производства ФРГ и на советско-финском электровозе ВЛ86ф (см. главу 4), по существу состоит из параллельно соединенных диодного выпрямителя и тиристорного сетевого инвертора с принудительной коммутацией. При условии двусторонней проводимости выпрямительного звена перевод асинхронной машины из двигательного в генераторный режим может быть произведен теми же двумя способами, которые рассмотрены при питании АИН от сети постоянного тока.
Однако выполнение выпрямителя с двусторонней проводимостью увеличивает вдвое мощность выпрямительного звена преобразователя, заметно усложняя электрооборудование и увеличивая его массу и габаритные размеры. Поэтому более рациональной является схема, представленная на рис. 9.11, г. Здесь в тяговом и тормозном режимах используется одна и та же тиристорная выпрямительная установка, которая в тяговом режиме работает как управляемый выпрямитель, а в тормозном режиме — как ведомый сетью инвертор. При окончании тягового режима путем прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры выпрямителя снижают напряжение и магнитный поток машины до нуля. Переводят двухпозиционный тормозной переключатель ТП в режим торможения, регулятор частоты — в режим вычитания частот и устанавливают требуемое значение абсолютного скольжения.
Затем по каналам управления тиристорами переводят выпрямительную установку в режим ведомого сетью инвертора ВСИ.
Для возбуждения магнитного потока в обмотки статора асинхронного генератора должна поступать реактивная составляющая фазного тока через тиристоры АИН. Поскольку полярность выпрямленного напряжения ВСИ является обратной по отношению к тиристорам АИН, ВСИ не может обеспечить первоначальное возбуждение асинхронного генератора после выбега. Поэтому включением контактора К на АИН следует кратковременно подать прямое для тиристоров АИН напряжение от маломощного вспомогательного диодного выпрямителя ВВ. После возбуждения асинхронного генератора контактор К выключают. Реактивная составляющая тока машины продолжает поступать через тиристоры АИН от обратных диодов других фаз, так как в АИН происходит обмен реактивной энергией между фазами асинхронной машины. Так, на интервале от φ1 до 180° ток в тиристор VS1 и далее в обмотку фазы А поступает или от фазы В через диод VD3, или от фазы С через диод VD5 (см. рис. 9.10).
На последней стадии перевода асинхронной машины в генераторный режим постепенно повышают выпрямленное напряжение ВСИ и соответственно ток Id до требуемых значений.
Осциллограмма процесса входа тягового двигателя НБ-602 в режим рекуперативного торможения при возбуждении от вспомогательного выпрямителя ВВ дана на рис. 9.12, а. Из осциллограммы следует, что вход в режим рекуперативного торможения завершается примерно за 0,3 с после включения выпрямителя ВВ и за это время происходит плавное возрастание напряжения и тока генератора uф и ίΦ.
Рис. 9.12. Осциллограммы процесса входа асинхронного тягового двигателя в режим рекуперативного торможения (а) и кривой фазного тока двигателя при подключении к входу инвертора источника переменного напряжения (б)
При этом ведомый сетью инвертор из режима прерывистых токов плавно переходит в режим непрерывного тока, о чем свидетельствуют кривые напряжения u/вси и тока вторичной обмотки трансформатора iτρ.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что и в случае подачи на фильтровый конденсатор переменного напряжения с частотой принадлежащей согласно уравнениям (9.23) области самовозбуждения, неконтролируемый переход асинхронных тяговых двигателей в генераторный режим не имеет места. Следовательно, при питании от АИН входной индуктивно-емкостный фильтр не создает условий для самовозбуждения и неконтролируемого перехода двигателя в тормозной режим.
Перевод асинхронной машины в генераторный режим возможен только при изменении знака абсолютного скольжения в регуляторе частоты. Результаты данных исследований также подтвердили, что фильтровый конденсатор Сф, установленный на входе АИН, благодаря преобразованию частот в инверторе не способен осуществить самовозбуждение асинхронной машины при переводе ее в режим электрического торможения без подачи напряжения в прямом для основных тиристоров направлении.
При реализации электрического торможения тяговой асинхронной машины определенные преимущества дает автономный инвертор напряжения, в цепях обратного тока которого вместо диодов используются тиристоры.
Как указывалось в главе 9, такой режим целесообразно использовать для торможения поезда на спусках с постоянной скоростью.
Кроме того, в схеме должен присутствовать реверсивный переключатель РП, который воздействует на систему управления преобразователем СУ и производит реверсирование асинхронной машины путем изменения чередования импульсов управления тиристорами двух фаз инвертора.
Генераторный режим
Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение .
Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.
Асинхронный генератор потребляет реактивный ток и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Из-за этого, несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторовмалой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств. Зато генераторный режим асинхронного двигателя используется довольно часто. В таком режиме работают двигатели эскалаторов метро, которые едут вниз. В генераторном режиме работают двигатели лифтов, в зависимости от соотношения веса в кабине и в противовесе.
Режим холостого хода
Режим холостого хода асинхронного двигателя возникает при отсутствии на валу нагрузки в виде редуктора и рабочего органа. Из опыта холостого хода могут быть определены значения намагничивающего тока и мощности потерь в магнитопроводе, в подшипниках, в вентиляторе. В режиме реального холостого хода s=0,01-0,08. В режиме идеального холостого хода n2=n1, следовательно s=0 (на самом деле этот режим недостижим, даже при допущении, что трение в подшипниках не создаёт свой момент нагрузки — сам принцип работы двигателя подразумевает отставание ротора от поля статора для создания поля ротора. При s=0 поле статора не пересекает обмотки ротора и не может индуцировать в нём ток, а значит не создаётся магнитное поле ротора.)
Режим электромагнитного тормоза (противовключение)
Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Для режима справедливы неравенства:
.
Этот режим применяют кратковременно, так как при нём в роторе выделяется много тепла, которое двигатель не способен рассеять, что может вывести его из строя.
Для более мягкого торможения может применяться генераторный режим, но он эффективен только при оборотах, близких к номинальным.
Вопрос10.двигатель постоянного тока смешанного возбуждения. Схема включения и его характеристики. В этом двигателе (рис. 8.63, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной и последовательной. Поэтому его механические характеристики (рис. 8.63,б, кривые 3 и 4) располагаются между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток при
Рис. 8.63. Схема двигателя со смешанным возбуждением и его механические характеристики
номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при малой МДС последовательной обмотки) или к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки). Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его частота вращения n0 имеет конечное значение.
Вопрос11.конструктивная схема асинхронной машины. Вопрос12.параллельная работа трансформаторов. Условия включения. На трансформаторных подстанциях обычно устанавливается несколько параллельно работающих трансформаторов. Это обусловлено следующими причинами: — условиями обеспечения надежности электроснабжения путем резервирования; -необходимостью расширения подстанции; -уменьшением потерь при малых нагрузках путем отключения части параллельно работающих трансформаторов.
1. В п. 2.19 «Правил технической эксплуатации» предписано следующее: «2.19. Допускается параллельная работа трансформаторов (автотрансформаторов) при условии, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимый ток для данной обмотки. Параллельная работа трансформаторов разрешается при следующих условиях: группы соединения обмоток одинаковы, соотношение мощностей трансформаторов не более 1:3, коэффициенты трансформации отличаются не более чем на ±0,5%, напряжения короткого замыкания отличаются не более чем на ±10%, произведена фазировка трансформаторов. Для выравнивания нагрузки между параллельно работающими трансформаторами с отличными напряжениями к.з. допускается в небольших пределах изменение коэффициента трансформации путем переключения ответвлений при условии, что ни один из трансформаторов не будет перегружен. 2. Как правило, на параллельную работу должны включаться одинаковые трансформаторы (с точностью до производственных отклонений).
Для включения трансформаторов Tp1 и Тр2 на параллельную работу необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между обоими трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью Вопрос13.облость применения машин переменного тока. Машина постоянного тока как и любая электрическая машина обратима: может работать как генератор и как двигатель. Причем двигатели нашли большее применение, чем генераторы.
В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых электрических машин постоянного тока.
Таблица 1.1Характеристики электрических машин постоянного тока
Описание генераторного режима асинхронного двигателя
Устройство представляет собой модель, которая с помощью переменного напряжения может воспроизводить электроэнергию. Генераторный режим асинхронного двигателя включает в себя две активные обмотки, благодаря которым запускается функционал устройства. Это обмотка возбуждения и статорный вариант.
Схема работы
Асинхронный генератор считается одним из наиболее простых и надёжных в плане эксплуатации. Процесс работы выглядит следующим образом:
- В якорной обмотке с помощью напряжения, что идёт от аккумулятора, создаётся магнитное поле.
- Вращение элементов поля можно организовать своими руками или же автоматизировать процесс с помощью использования реле.
- Скорость магнитного поля позволяет вырабатывать электромагнитную индукцию, что провоцирует возникновение электричества.
Из-за наличия внутри оборудования короткозамкнутого ротора не все схемы имеют возможность обеспечивать обмотку напряжением. Поэтому даже в случае активного вращения вала клемы будут обесточены.
Составляющие элементы
Генератор из асинхронного двигателя своими руками 220 В создать несложно, но предварительно нужно понять, какие детали входят в механизм. Даже простые модели требуют нужных элементов для воссоздания электричества. Стандартный асинхронный двигатель включает в себя:
- Статор из сетевой обмотки на три фазы. Они размещаются по его рабочей поверхности в виде намотки.
- Обмотку, напоминающую звезду и состоящую из контактных колец, что имеют выход к ротору.
- Щётки, которые не совершают по факту никакой работы, но способствуют включению реостата. Такое приспособление влияет на функциональность обмотки и изменяет параметры её сопротивления.
- Иногда в механизме может быть встроен специальный автоматический короткозамыкатель, который может закоротить обмотку и остановить элемент реостата, даже если деталь пребывает в работе.
В стадии замыкания щёток и контактных колец могут включаться дополнительно элементы для их разводки. Не все генераторы оснащены такими деталями, приспособление можно увидеть у новых моделей.
Секреты и тонкости
Чтобы сделать асинхронный двигатель в режиме генератора нужно не только изучить модель устройства, но и подобрать нужные элементы. Специалисты советуют использовать неполярные батареи конденсаторного типа, поскольку электролитические элементы в данную схему не вписываются.
Трёхфазный тип запускает детали конденсаторов с помощью звезды. Это даёт возможность запустить генеративный процесс с небольшими оборотами ротора, но такой способ негативно сказывается на выходе напряжения.
Можно создать генератор, используя и однофазный механизм, но это только в случае, если имеются короткозамкнутые роторы. Нельзя использовать для переделки под генератор коллекторный тип двигателей, поскольку их мощность слишком высока для такого механизма. В домашних условиях узнать о ёмкости батареи конденсаторного типа нельзя. Это стоит учитывать в процессе переделки.
Узнать, подходит ли батарея для генератора можно исходя из её веса. Тяжесть детали должна быть равной электродвигателю.
Процесс изготовления
Для этой цели может использоваться механизм из бытовой техники, например, со стиральной машинки. Сначала снимается верхний слой из сердечника двигателя, чтобы открылся доступ ко всем составляющим элементам. После этого по всему сердечнику нужно проделать дополнительные отверстия и сделать небольшое углубление.
Из ротора снимаются размеры и создаётся шаблон в виде полосы, соответствующий реальным параметрам механизма. На каждый полюс образовавшегося пространства нужно прикрепить неодимовой магнит. Для процесса может потребоваться от 8 до 10 магнитов.
Зафиксировать магниты лучше суперклеем, но можно применять и другие варианты из доступных подручных средств. Для герметизации устройства ротор можно обернуть бумагой и залепить торцовую часть пластилином.
Свободные места между магнитами нужно обработать используя эпоксидную смолу. Поле того, как заливка высохнет, можно снять бумажную оболочку, в которую и заливалась смесь. После этого начинается этап шлифовки поверхности ротора. Деталь нужно зафиксировать в тиски. Далее, определяется состояние проводов и происходит тестирование созданного генератора.
Процесс преобразования асинхронного двигателя в генератор такого же типа завершён. Применять устройство можно в разных вариантах работ.
Что касается оценки уровня эффективности, то генератор из трёхфазного двигателя в этом плане ничем не отличается от асинхронного типа. Одним из плюсов первого варианта является наличие конденсаторной батареи, улучшающей процесс работы генератора и по своей структуре считающейся одним из наиболее сложных технических элементов устройства.
Электрические машины — Генераторный режим асинхронной машины
Для получения генераторного режима асинхронной машины, работающей параллельно с мощной сетью (рис. 4.45), необходимо, как отмечалось в п. 4.1, приложить к валу внешний момент в направлении вращения ротора, так чтобы частота вращения превысила синхронную. При этом скольжение ротора становится отрицательным .
Анализ процессов в асинхронном генераторе можно выполнить с помощью уравнений векторных диаграмм и схемы замещения асинхронной машины, полученных в п. 4.4.
в генераторном режиме () будет содержать отрицательную активную составляющую
от знака скольжения не зависит. Она так же, как и в асинхронном двигателе, будет отставать от ЭДС на угол 90° (рис. 4.46). Поэтому фаза тока статора по отношению к напряжению будет >90°. Следовательно, в генераторном режиме асинхронная машина отдает в сеть активную мощность и потребляет реактивную мощность .
Потребность в реактивной мощности является основным недостатком асинхронных генераторов, препятствующим их широкому распространению на электростанциях традиционного типа.
Однако в последние годы большой интерес проявляется к использованию в энергетике возобновляемых источников энергии, в частности энергии ветра. Одним из наиболее перспективных генераторов для ветроэлектростанций является асинхронный генератор с фазным ротором (рис. 4.47). В цепи ротора устанавливается преобразователь частоты, обеспечивающий питание обмотки ротора напряжением регулируемой частоты. Такая схема позволяет получить стабильное напряжение и частоту на выходе асинхронного генератора при широком диапазоне изменения частоты вращения ветроколеса.
Асинхронные генераторы находят применение также в автономных энергоустановках стационарного или передвижного типа. В этом случае ротор асинхронного генератора выполняется короткозамкнутым или в виде массивного стального цилиндра без обмоток. Такая конструкция ротора обеспечивает надежную работу генератора при высоких частотах вращения — до 12000 оборотов в минуту, что позволяет повысить мощность генератора, не увеличивая его габаритов. В качестве источника реактивной мощности асинхронного генератора используются конденсаторы (рис. 4.48), подключаемые к выводам статора.
Генератор работает в режиме самовозбуждения. При вращении ротора с номинальной частотой в обмотке статора наводится ЭДС за счет остаточного потока в машине (рис. 4.49). Под воздействием этой ЭДС по обмотке статора потечет емкостный ток, который усилит остаточный поток машины и создаст ЭДС . Этот процесс будет продолжаться до пересечения характеристики холостого хода (х.х.х.) генератора с вольтамперной характеристикой конденсаторов .
Точка установившегося режима определяется соотношением
.
Отсюда получаем выражение для емкости
.
Мощность конденсаторов равняется реактивной мощности генератора,
.
Если нагрузка генератора имеет активно-индуктивный характер, то мощность конденсаторной батареи необходимо увеличить для покрытия еще и реактивной мощности нагрузки. Это делает генераторную установку (рис. 4.48) достаточно дорогой. К ее недостаткам следует также отнести сложность регулирования напряжения генератора при изменении нагрузки. В связи с этим асинхронные генераторы имеют ограниченное применение.