Форма фазных токов и напряжений при питании асинхронного тягового двигателя от преобразователя частоты

При питании АТД от полупроводникового преобразователя частоты форма фазных токов и напряжений может существенно отличаться от синусоидальной, приводя к ряду осложнений в работе тягового двигателя. Прежде всего следует установить спектральный состав высших временных гармоник напряжения и тока и высказать соображения о методе их расчета.

Идеализированные формы фазных напряжений и токов АТД представлены на рис. 7.1. При питании АТД от инвертора напряжения последним создается указанная форма фазного напряжения, показанная на (рис. 7.1, а), и обеспечивается соответствующая форма фазного тока. При питании АТД от инвертора тока создается форма фазного тока (рис. 7.1, б), а форма напряжения обусловлена формой магнитного поля в воздушном зазоре. Поскольку высшие гармоники тока в значительной мере демпфируются короткозамкнутой обмоткой ротора, ЭДС статора и фазное напряжение его близки в этом случае к синусоиде.

Осциллограммы фазных напряжений и токов, представленные на рис. 7.2 и 7.3, сняты в реальных условиях работы тяговых двигателей, питаемых от инвертора напряжения и инвертора тока.

Существенное отличие формы действительных фазных токов и напряжений от идеализированной их формы связано со следующими причинами:

1) на вход инвертора обычно подается пульсирующий ток, переменная составляющая которого может составлять 20-30 % выпрямленного среднего значения;

2) коммутация тока происходит немгновенно;

3) фазные обмотки статора имеют значительные индуктивные сопротивления.

Оценим эти причины более детально. Третья причина достаточно четко проявляется при питании АТД от инвертора напряжения при его пуске. В этом случае индуктивные сопротивления обмоток невелики из-за низкой частоты питающего напряжения (0,5-1 Гц), поэтому форма фазных токов обычно почти повторяет форму фазных напряжений.

Рис. 7.1. Идеализированные формы фазных таков АТД при пнтаинн от инвертора тока (а) и инвертора напряжения (б)

Вторая причина в сочетании с третьей затягивает процесс протекания токов при питании АТД от инвертора тока (см. рис. 7.2). Процесс коммутации при инверторе тока вызывает провалы или выбросы в

форме кривой фазного и$ и линейного ы_л напряжений.

Особенно значительные искажения формы фазных токов может вызвать первая причина. При однофазном выпрямлении тока с частотой 50 Гц переменная составляющая пульсирующего тока иа входе инвертора имеет частоту 100 Гц. От взаимодействия входного напряжения инвертора с частотой 100 Гц и выходного его напряжения с частотой /, в фазных токах АТД появляются комбинационные гармоники с частотами (100+/!) Гц и (100-/,) Гц. Обычно токи с частотой (100 -/,) Гц превышают токи с частотой (100+/,) Гц из-за уменьшения индуктивного сопротивления фаз АТД для частоты (100 - /,) Гц. Однако в этом случае амплитуда токов с частотой (100 - /,) Гц определяется не только индуктивным сопротивлением фаз, но и ограничена индуктивностью сглаживающего реактора, которая входит в контур токов комбинационных гармоник. На рис. 7.2 на осциллограмме тока можно отметить низкочастотную пульсацию тока (штриховая линия), частота которого составляет (100-Гц.

Рис. 72. Осциллограммы фазных токов 1\ и напряжений 11\ при питании АТД от инвертора напряжения

Рис. 7.3. Осциллограммы фазных напряжений и«, лниеийых напряжений и я н фазных токов (ф при питании АТД от инвертора тока

Для инвертора напряжения искажающее действие на фазные токи АТД оказывают первые гармоники напряжения и тока нагрузки. Амплитуды токов высших гармоник зависят только от амплитуд соответствующих напряжений и сопротивлений фаз токам высших гармоник. Эффективное значение первой гармоники тока определяется нагрузкой на валу тягового двигателя. Следовательно, искажающее действие высших гармоник напряжения на форму фазных токов будет в наибольшей степени обнаруживаться при малых нагрузках и повышенном напряжении.

Расчет напряжений и токов высших временных гармоник выполняется с учетом следующих соображений.

Спектральный состав фазного напряжения, имеющего прямоугольную ступенчатую форму (см. рис. 7.1), может быть определен из выражения

С учетом изменения сопротивлений при повышенной частоте:

Коэффициенты К_Ху и Кху определяют уменьшение индуктивного сопротивления обмоток для повышенной частоты с учетом демпфирующего действия вихревых токов в проводниках. Коэффициенты К,у и К.'гу определяют увеличение активного сопротивления обмоток с учетом эффекта вытеснения токов в проводниках. Названные коэффициенты рассчитывают обычным способом, например, как рекомендовано в ПО].

Из выражения (7.3) следует, что в кривой фазного напряжения присутствуют гармоники с частотой Ш. ± уь>- Если учесть только первые гармоники пульсаций входного и фазного напряжений, т. е. применять И = 1, Й = 100 Гц и у - 1, то получим основную частоту комбинационных гармоник (100 + /0 Гц, о которых было сказано выше.

Использовать выражение (7.3) для расчетов составляющих напряжения затруднительно. Расчеты упрощаются, если принять составляющую основной частоты пульсаций напряжения равной 100 Гц и пренебречь комбинационными гармониками с частотой выше 100 ± 5<о.

В этом случае должны быть учтены гармоники напряжения и_у -----^ и две комбинационные с амплитудами 1/_к = у/С_Ш1 і!_а частотами 100-

-и ЮО+/1, где /(„и - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на входе инвертора.

Однако вычисление коэффициента К_а„ при наличии сложного фильтра и влияния параметров обмоток АТД также затруднено. Расчетный метод оценки комбинационных гармоник приведен в главе 8. Часто ограничиваются расчетом токов высших гармоник по выражению (7.4) с учетом выражения (7.1). В этом случае гармоники напряжения представляют в виде ряда

Действующие значения напряжений для каждой гармоники будут Ц_у = иу/у.

Учитывая, что ток в обмотках АТД определяется в основном их индуктивными сопротивлениями, ток гармонических составляющих можно вычислить для всех гармоник, кроме первой:

(7.5)

Из выражения (7.5) следует, что токи /_г резко убывают для гармоник выше 13-й и их обычно уже не рассчитывают.

В табл. 7.1 приведены эффективные значения высших гармоник напряжений н токов тягового двигателя НБ-602 при питании его от преобразователя частоты с инвертором напряжения.

Из табл. 7.1 видно, что напряжения высших гармоник довольно быстро убывают с ростом номера гармоники, причем токи убывают еще быстрее, что связано с ростом сопротивления обмоток высшим гармоникам тока. Однако сопротивление растет непропорционально частоте, т. е. имеет место, как отмечалось, некоторое его снижение из-за демпфирующего действия на поток рассеяния вихревых токов. Из табл. 7.1 также следует, что воздействие пульсации входного напряжения на спектральный состав высших гармоник напряжения при используемых параметрах фильтра довольно слабое, поскольку снижение напряжения почти обратно пропорционально номеру гармоники.