Инверторное возбуждение асинхронного генератора

98

Общетехнические задачи и пути их решения

Библиографический список

1. Universal Space-Time Coding / H. El. Gamal, M. O. Damen // IEEE transactions on information theory. - May 2003. - Vol. 49. - №. 5. - Pp. 1097-1119.

2. High-Rate Full-Diversity Space-Time-Frequency Codes for Broadband MIMO Block-Fading Channels / Wei Zhang, Xiang-Gen Xia, P. C. Ching // IEEE transactions on communications. - January 2007. - Vol. 55. - № 1. - Pp. 25-34.

3. Построение кодовых слов пространственно-частотно-временных кодов / М. В. Гофман // Программные продукты и системы. - 2010. - № 3. - C. 149-151.

4. Full-Diversity Full-Rate Complex-Field Space-Time Coding / Xiaoli Ma, Georgios B. Giannakis // IEEE transactions on signal processing. - November 2003. - Vol. 51. - № 11. -Pp. 2917-2930.

5. A systematic design of high-rate full-diversity space-frequency codes for MIMO-OFDM systems / T. Kiran, B. S. Rajan // ISIT 2005, 4-9 Sept. 2005. - Pp. 2075-2079.

Статья поступила в редакцию 25.10.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.

УДК 621.313.3.621.314.5

Л. С. Гришуков, А. В. Колесова, С. Л. Колесов

ИНВЕРТОРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Рассмотрены особенности электромагнитных процессов, возникающих при работе асинхронной электрической машины с инвертором в генераторном режиме; сформулированы требования к условиям самовозбуждения при переходе из двигательного в автономный генераторный режим для различных алгоритмов управления тиристорами.

асинхронный генератор, автономный инвертор, самовозбуждение, алгоритмы управления.

Введение

Работа асинхронной машины генератором в режиме инверторного возбуждения (от АИН) имеет целый ряд практически необъясненных моментов [1]. К ним относится падающая внешняя характеристика генератора. Это выражается в том, что при подключении к зажимам обмотки статора или на вход инвертора активного сопротивления и при уменьшении этого сопротивления происходит резкое размагничивание генератора. Следующий вопрос заключается в том, что при постоянном скольжении генератор развивает максимальный тормозной момент при бесконечно большом активном сопротивлении нагрузки. Уменьшение нагрузочного сопро-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

99

тивления приводит к уменьшению тормозного момента и в конечном счете к невозможности генераторного режима работы.

В работах [1], [2] плохо пояснен момент перехода работы асинхронной машины в автономный генераторный режим, т. е. работа машины при отключенной сети. Переход в автономный генераторный режим работы происходит при скольжениях, больших некоторой минимальной величины. При скольжении, близком к нулю, невозможен автономный генераторный режим работы.

1 Электромагнитные процессы в автономном асинхронном генераторе

На рис. 1, а представлены осциллограммы изменения фазных токов асинхронной машины при ее работе в автономном генераторном режиме с допущениями, оговоренными в [2]. Сеть и сопротивление нагрузки отключены. К входным зажимам инвертора напряжения подключен конденсатор фильтра Сф . На рис. 1, б представлены схемы подключения фаз машины на шести интервалах полного цикла изменения выходного напряжения при 180градусном управлении инвертором. При этом через интервал времени, рав-

п

ный —, происходит коммутация очередного тиристора; в соответствии с заданным алгоритмом изменяется схема включения фаз асинхронной машины.

п

В качестве первого интервала времени (0 - —) принят интервал, в котором фазы А и С машины присоединены к положительному зажиму конденсатора фильтра Сф, а фаза В - к отрицательному. На этом интервале напряжение фазы А изменяет свою величину с отрицательного на положительное значение. Реактивная составляющая тока фазы А проходит через свою амплитуду. Фазы А и С образуют контур короткого замыкания, в котором фаза А отдает энергию, запасенную в магнитном поле, фазе С. Фаза В обменивается энергией с конденсатором Сф, отдавая ему энергию через фазу А и получая ее обратно через фазу С.

п

В конце первого интервала (—) происходит коммутация, вследствие

которой фаза С отключается от положительного зажима конденсатора Сф и подключается к его отрицательному зажиму. Эта коммутация является

(п 2п^

началом образования второго интервала работы машины

3

. На

втором интервале работы создается новый короткозамкнутый контур из фаз В и С. В этом контуре энергия, накопленная в магнитном поле фазы С, передается фазе В. Фаза А обменивается энергией с конденсатором Сф, отдавая ему энергию через фазу С и получая ее обратно через фазу В.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

100

Общетехнические задачи и пути их решения

а)

В A

3 3

C В

J+ я с* Рт Hi с* Pt 1 я

18

t8

3

3

A

C

В

С

С

С

ф

ф

C

A

В C

CA

A В

Рис. 1. Токи и напряжения в фазах инвертора

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

101

Таким образом, имеет место процесс обмена энергией между обмотками статора и протекает процесс обмена энергией статора с ротором. Эти процессы определяются величиной механической мощности на валу машины. Процесс преобразования энергии носит циклический характер. Цикличность этого процесса определяется выходной частотой инвертора,

п

интервалы повторяются через —. Рассмотрим физическую основу элек-

тромагнитного процесса, протекающего в машине при ее работе в автономном генераторном режиме на примере первого интервала времени

(

V

0... -

Для определения правильного направления токов в фазах маши-

ны были исследованы осциллограммы не только фазных токов, но и токов, протекающих через плечи анодной и катодной групп АИН и тока ротора.

Исследование осциллограмм позволило определить направление контурных токов в короткозамкнутых фазах на всех интервалах.

Направление контурных токов показано на рис. 1, б. На первом интер-

вале

0...3

V

ток фазы А проходит через обратный диод анодного плеча

фазы и разветвляется на два тока, один из которых идет к конденсатору фильтра, а другой через главный тиристор анодного плеча фазы С замыкается по контуру фаз А и С.

При работе машины в генераторном режиме к ее ротору подводится механическая энергия. Коммутацией искусственно образуется короткозамкнутый контур фаз А и С. За счет потерь энергии на активном сопротивлении этого контура его потокосцепление уменьшается и уменьшается контурный ток. Контур фаз А, С магнитно связан с ротором. Изменение контурного тока приводит к изменению его потокосцепления с ротором, т. е. имеется трансформаторная связь ротора и контура А, С.

Трансформаторная связь короткозамкнутого контура А, С с ротором определяет появление в роторе и статоре токов, изменяющихся с несущей частотой. Эти токи создают пульсирующее поле, которое вызывает в роторе и статоре, как в короткозамкнутом трансформаторе, потери электрической энергии. Кроме того, в машине существует вращающееся магнитное поле, определяемое выходной частотой инвертора. Это поле наводит в проводниках ротора ЭДС, определяемую частотой скольжения. Процессы, вызванные вращающимся магнитным полем и трансформаторной связью ротора и короткозамкнутого контура двух фаз статора, совместно определяют физическую природу процесса возбуждения машины и преобразования энергий, т. е. физическую природу и характер протекания всего электромагнитного процесса работы асинхронной машины в автономном генераторном режиме.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

102

Общетехнические задачи и пути их решения

Наличие постоянно действующего с циклической последовательностью изменяемого контура короткого замыкания двух фаз обмотки статора приводит к целому ряду особенностей работы асинхронного генератора от АИН. Эти особенности заключаются в резко выраженном несимметричном режиме работы машины, появлении дополнительных потерь в короткозамкнутых обмотках и специфики формирования магнитного потока. Для выяснения этих особенностей рассмотрим схематически процесс образования магнитного поля машины.

По обмотке статора течет переменный ток, который создает МДС, вступающую при работе машины во взаимодействие с ротором. Характер изменения этой МДС и форма ее распределения в зазоре могут быть определены графическим путем. На рис. 2 представлено графическое построение распределения МДС статора. На кривой распределения результирующей МДС статора четко определена область пульсаций потока, вызванная обменом энергии между ротором и короткозамкнутыми обмотками статора.

Д

I

а

0

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

103

Из формы изменения кривых МДС статора видно влияние на работу асинхронной машины двух процессов вращающегося с частотой ш0 магнитного поля и пульсирующего поля, определяемого трансформаторной связью ротора и статора. На рис. 2 представлены результаты соответствующих построений для двенадцати точек на периоде от 0 до 2-. Сопоставление положения векторов МДС, полученных для выбранных точек, показывает, что вектор результирующей МДС статора вращается в зазоре с угловой частотой, определяемой частотой переключения тиристоров инвертора. Величина результирующей МДС статора при вращении изменяется от Fnax до Fmin. При этом за время одного периода результирующая

МДС шесть раз достигает своего максимума, т. е. происходит пульсация результирующей МДС.

2 Особенности самовозбуждения асинхронного генератора

Асинхронная машина в режиме инверторного возбуждения может работать в автономном генераторном режиме при отключенном фильтровом конденсаторе. На рис. 3 представлены кривые распределения МДС в зазоре машины без учета коммутационного процесса. При отключении Сф в машине создается вращающееся магнитное поле, вектор которого в момент коммутации инвертора изменяет свое положение скачком на угол

(

-

3 J

Между коммутациями это поле пульсирует, уменьшаясь от макси-

мальной величины до минимальной, а затем возрастает до своей максимальной величины. На рис. 3 представлены графические построения положения вектора МДС статора F1 с учетом его изменения по величине.

Работа машины при включенном конденсаторе Сф имеет ряд особенностей по отношению к ее работе с отключенным конденсатором. Эти особенности заключаются в том, что при включенном Сф обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, а без конденсатора - «шагающее».

Асинхронная машина в генераторном режиме работает только в состоянии самовозбуждения. Процесс самовозбуждения машины может быть представлен следующим образом. Остаточный поток ротора, вращаясь, наводит в обмотках статора переменную ЭДС. В трехфазной машине обмотки статора имеют пространственный сдвиг во времени. Поэтому и наводи-

мая в них ЭДС также имеет сдвиг во времени. В момент времени

(

0... -

3

л

)

(рис. 4) в фазах А и С наводится положительная ЭДС. При этом в фазе А она увеличивается, а в фазе С уменьшается. Если в момент времени, когда

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

104

Общетехнические задачи и пути их решения

еА > еС, замкнуть эти фазы, то по замкнутому контуру АС потечет ток,

совпадающий по фазе с еА. Этот ток создаст поток статора, усиливающий

поток ротора (см. рис. 4). Контур АС создает неподвижное в пространстве поле, которое увеличивается при увеличении поля ротора. С другой стороны в проводниках ротора, вращающихся в неподвижном поле статора, наводится ЭДС, направление которой показано на рис. 4. Под действием этой ЭДС по ротору течет отстающий от нее ток, который также увеличивает остаточный поток ротора.

f!

I

Рис. 3. МДС обмотки статора без учета коммутационных процессов

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

105

При дальнейшем вращении ротора (рис. 5) необходимо изменить положение поля статора. Для этого фаза А должна быть отключена от фазы С, а к фазе С подключена фаза В. В этом случае контур СВ продолжает усиливать поле ротора, одновременно наводя во вращающемся роторе большую ЭДС и больший ток, который еще больше усиливает поле машины. Увеличенное поле ротора в свою очередь наводит большие ЭДС в обмотках статора, и по ним течет большой ток. Таким образом, поле машины

п

продолжает усиливаться. При дальнейшем вращении ротора через угол —

должен измениться замкнутый контур обмоток статора. Так, следующий интервал включает соединение фаз ВА, а фаза С отключается. Процесс

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

106

Общетехнические задачи и пути их решения

возбуждения заканчивается, когда ЭДС, наводимые в обмотках, уравновешиваются падением напряжения на активных и реактивных сопротивлениях обмоток.

Ф

Ф

Ф

BC > ФAC 2

Рис. 5. Распределение потоков при угле поворота ротора свыше

п

3

Таково схематичное описание процесса самовозбуждения машины. Этот процесс имеет особенность, которая заключается в том, что в машине образуется два короткозамкнутых контура: короткозамкнутая обмотка ротора и искусственно созданный короткозамкнутый контур двух фаз обмотки статора. При изменении магнитного потока в этих контурах возникают процессы, аналогичные процессам в короткозамкнутом трансформаторе. Потери энергии в обмотках от этого взаимодействия должны быть компенсированы подводимой механической энергией.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

107

Кроме того, если реактивная составляющая тока ротора усиливает поле, то активная, совпадающая по фазе с ЭДС, создает тормозной момент. Если к ротору не подводится дополнительная механическая энергия, то он тормозится и процесс возбуждения затухает. Если к ротору подводится энергия, которая компенсирует потери в машине, то процесс возбуждения развивается. В процессе увеличения напряжения обмотки статора должна возрастать и механическая энергия, подводимая к ротору, также будут возрастать магнитный поток и тормозной момент машины.

Процесс самовозбуждения заканчивается при равенстве тормозного и механического моментов. При тормозном моменте, большем механического, ротор тормозится, в нем наводится меньшая ЭДС, по нему течет меньший ток. В этом случае уменьшается тормозной момент и процесс стабилизируется при равенстве моментов. В переходном процессе, при увеличении потока машины, статор усиливает поле ротора. В установившемся режиме обмотки статора и ротора, взаимодействуя друг с другом, создают результирующее поле машины. Если по каким-то причинам ток ротора увеличивается, то происходит размагничивание машины, так же как это происходит при короткозамкнутой обмотке трансформатора.

Процесс самовозбуждения машины можно разделить на два процесса. Первым процессом следует считать усиление потока ротора искусственно созданным короткозамкнутым контуром из двух фаз обмотки статора. Изменение этих контуров позволяет циклически усилить магнитное поле машины. Магнитное поле короткозамкнутых фаз статора неподвижно в пространстве. При вращении ротора в неподвижном поле статора в проводниках ротора наводится ЭДС и по короткозамкнутой обмотке течет ток. Суть второго процесса заключается в том, что ток, возникающий в роторе на стадии самовозбуждения, также усиливает поле машины. Оба эти процесса определяют физическую сущность электромагнитного взаимодействия ротора и статора при самовозбуждении машины, работающей с автономным инвертором напряжения.

Ток, текущий в роторе, создает тормозной момент, т. е. в машине выделяется энергия. Эта энергия должна быть компенсирована поступающей к валу механической энергией. В машине происходит преобразование энергии. Это преобразование возможно только в том случае, если по мере развития процесса самовозбуждения ротор начинает вращаться быстрее вращения поля статора.

Процесс самовозбуждения невозможен без наличия остаточного потока ротора. Если ротор немагнитный, то невозможен и процесс автономного генераторного режима работы машины. Иными словами, становится невозможным инверторное возбуждение машины. В случае немагнитного ротора генераторный тормозной режим работы асинхронной машины возможен при питании обмотки статора от сети. В этом случае поток машины

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

108

Общетехнические задачи и пути их решения

создается обмоткой статора, а активный ток ротора создает тормозной момент.

Работа асинхронной машины в автономном генераторном режиме без внешней нагрузки характеризуется наибольшим потоком и наибольшим моментом. В этом случае вся механическая мощность, подводимая к машине, выделяется в обмотках. Это приводит к повышению температуры обмоток. Поэтому необходимо часть потерь вынести из машины во внешнюю цепь, т. е. подключить к ней сопротивление нагрузки.

При подключении сопротивления нагрузки увеличивается активная составляющая тока статора и появляются потери мощности во внешней цепи. Увеличение тока статора вызывает размагничивание машины. Поток машины уменьшается, а это приводит к уменьшению напряжения и момента. Для сохранения режима постоянной механической мощности частота вращения ротора должна увеличиться. При этом восстанавливается баланс энергий. Восстановление равновесия мощностей происходит при большем скольжении, но при меньшем моменте.

Потери в машине уменьшаются. Уменьшить потери, вызванные процессом вращения ротора в магнитном поле, нельзя. Поэтому уменьшение потерь происходит за счет уменьшения пульсаций потока, т. е. за счет уменьшения потерь в трансформаторно-связанных обмотках статора и ротора. Происходит перераспределение потерь, потери в машине уменьшаются, во внешней цепи - увеличиваются, но сумма потерь должна остаться равной величине механической мощности. Уменьшение потерь в машине приводит к уменьшению величины магнитного потока, а это в свою очередь приводит к увеличению скольжения машины.

Работа асинхронной машины генератором от АИН искусственно создает циклически изменяющийся контур короткого замыкания двух фаз обмотки статора. Этот контур является определяющим в процессе стабилизации и усиления поля машины. Поле возбуждения машины образуется вследствие взаимодействия обмотки ротора с короткозамкнутым контуром, образованным из обмоток статора. Подключение сопротивления нагрузки к обмоткам статора приводит к размагничиванию машины, уменьшению ее момента и увеличению скольжения. При этом происходит перераспределение потерь энергии. Часть потерь из машины выносится во внешнюю цепь.

При частотном управлении от АИН асинхронная машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Переход из двигательного режима работы в генераторный происходит автоматически при увеличении частоты вращения ротора больше синхронной. При увеличении частоты вращения ротора увеличивается ЭДС обмотки статора и напряжение на зажимах машины. При этом полупроводниковые приборы выпрямительной установки и тиристоры инвертора закрываются и прекращается обмен энергией с сетью. В этом случае потери энергии в маши-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

109

не не компенсируются потреблением энергии из сети. В автономном генераторном режиме асинхронная машина может работать только в состоянии самовозбуждения при потреблении механической мощности, подводимой к валу машины.

Заключение

Возбуждение асинхронного генератора требует выполнения ряда необходимых условий.

1. Наличие в роторе остаточного потока. Асинхронные машины, у которых ротор выполнен из алюминиевого сплава, или машины линейные двухсторонние с ротором из алюминиевой полосы перейти в генераторный режим работы не могут. У таких машин при отключении источника электрической энергии поток уменьшается до нуля. У машин, выполненных из ферромагнитного материала, в роторе имеется магнитный поток, который поддерживается и усиливается обмоткой статора. При отключении сети также могут работать в автономном генераторном режиме.

2. Согласное включение короткозамкнутых обмоток статора, при котором поток ротора усиливается или поддерживается постоянным. При работе машины обмотка статора должна создавать поток, направленный в ту же сторону, что и поток ротора. В этом случае поток обмотки статора будет усиливать остаточное поле ротора и машина сможет перейти в автономный генераторный режим работы.

3. К валу машины должна подводиться механическая мощность, уравновешивающая мощность потерь в машине, Рмех > Рпот. При переходе

машины из режима асинхронного двигателя в генераторный режим напряжение на ее зажимах повышается и прекращается обмен энергией с сетью. В этом случае потери в машине должны быть компенсированы за счет механической мощности, подводимой к ротору. Для устойчивого автономного генераторного режима механическая мощность, подводимая к ротору, должна быть несколько больше, чем требуемая мощность на покрытие потерь в машине.

Библиографический список

1. Частотное управление асинхронными двигателями / А. А. Булгаков. - М. : Энергоиздат, 1982. - 216 с.

2. Метод расчета электромагнитных процессов в системе «автономный инвертор напряжения - электрическая машина» / Л. С. Гришуков, И. М. Ляус, Б. Л. Сыркин // Современные проблемы электрификации железных дорог России : сб. научн. тр. - СПб. : ПГУПС, 1998. - С. 76-82.

Статья поступила в редакцию 10.06.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4