Принцип действия асинхронного двигателя, как указывалось, основан на взаимодействии вращающегося поля и тока, индуктированного этим полем в обмотке ротора.
В результате взаимодействия магнитного потока Ф с током I2, протекающим в проводниках обмотки ротора, возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. Поэтому вращающий момент, создаваемый на валу двигателя, зависит от величины тока ротора I2 и от магнитного потока Ф. Кроме того, на величину вращающего момента асинхронного двигателя влияет сдвиг фаз Ψ2 между током I2 и ЭДС ротора.
Для уяснения влияния cosΨ2 рассмотрим картину электромагнитных сил, действующих на проводники ротора. Рассмотрим сначала случай, когда индуктивность обмотки ротора мала и поэтому сдвигом фаз между током и ЭДС можно пренебречь. Вращающееся магнитное поле статора здесь заменено полем полюсов N и S, вращающимся, предположим, по направлению часовой стрелки. Пользуясь правилом «правой руки», I определяем направление ЭДС и токов в обмотке ротора. Токи ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создают момент вращения. Направления сил, действующих на проводники с током, определяются по правилу «левой руки». Как видно из чертежа ротор под действием сил будет вращаться в ту же сторону, что и само вращающееся поле, т.е. по часовой стрелке.
Рис.15 Вращающий момент асинхронного двигателя
Регулирование напряжения на тяговых двигателях
Рис. 15 Тиристорно-импульсный регулятор
Тиристорно-импульсный регулятор (Рис.15) состоит из фильтра Lф-Сф, тиристорно-импульсного прерывателя(ТИП), сглаживающего реактора (L) и обратного диода (V), шунтирующего последовательно включенного сглаживающего реактора (L) и обмотки двигателя.
Тиристорно-импульсный прерыватель представляет собой ключ, имеющий два устойчивых состояния: замкнутое и разомкнутое. Он переключается с частотой f.
В интервале каждого периода T = l / f ключ замкнут в течение времени t и разомкнут в оставшуюся часть периода T - t. Соответственно тяговая машина часть периода, определяемого коэффициентом заполнения l = t / T, подключена к источнику напряжения U, а оставшуюся часть периода (T - t) / T = l - l отключена от него.
Пренебрегая пульсациями напряжения на конденсаторе Cф, которые малы и обычно составляют менее 0,1U, можно считать, что к цепи тяговой машины прикладываются прямоугольные импульсы напряжения амплитудой U и длительностью t. Среднее значение этого напряжения за период
U ср. дв = Ut / T = Ul.
С помощью тиристорно-импульсного регулятора путем изменения l от lmin
до единицы среднее значение напряжения U ср. дв, прикладываемого к цепи тяговой машины, можно регулировать в широких пределах от U ср. дв. min до U ср. дв. max = U.
Энергия от внешнего источника питания (контактный рельс) подводится к цепи тяговой машины импульсами длительностью t и частотой f. Однако, преобразование электрической энергии в механическую в тяговой машине происходит непрерывно независимо от состоянии прерывателя, что обеспечивается использованием в рассматриваемой схеме обратного диода V и наличием накопительных элементов: сглаживающего реактора L и обмоток тяговой машины.
За время t энергия, поступающая от внешнего источника напряжения U, потребляется тяговой машиной не полностью, частично запасаясь в накопительных элементах для дальнейшего использования тяговой машиной в интервале T - t периода, когда приток энергии от внешнего источника питания отсутствует.
Вследствие этого тяговая машина получает питание непрерывно: в интервале l - от внешнего источника напряжения U, а оставшуюся часть периода l - l - благодаря энергии, запасенной в накопительных элементах. Поэтому, несмотря на импульсный характер питания тяговой машины от внешнего источника питания, ток iя в ее цепи будет непрерывным. Одну часть l периода ток iя нарастает, другую l - l уменьшается, замыкаясь под действием э.д.с. е¢L, е¢¢L и е¢¢¢L самоиндукции, наводимых в реакторе L и обмотках тяговой машины, по цепи обратного диода V, т.е. ток пульсирует на уровне среднего значения I я ср. Таким образом, при размыкании импульсного регулятора ток в цепи тяговой машины не разрывается, а происходит изменение контура для его замыкания. Это исключает появление перенапряжений на регуляторе, несмотря на то, что обмотки тяговой машины и реактор обладают большой индуктивностью.
При работе импульсного прерывателя нельзя допускать также прерывания тока в контактной сети, которая обладает значительной индуктивностью. Непрерывность тока в контактной сети при импульсном характере нагрузки обеспечивает Г – образным фильтром Lф - Cф. Независимо от состояния прерывателя ток в контактной сети имеет контур для замыкания: по цепи тягового двигателя (i) или по цепи фильтрового конденсата (i¢). В интервале периода l - l, несмотря на то, что тяговая машина отключена от контактной сети, происходит потребление электрической энергии от источника питания, которая не расходуется, а запасается в фильтровом конденсаторе.
В интервале периода l в цепь тяговой машины поступает энергия как от источника питания, так и от фильтрового конденсатора, которая без учета потерь в элементах схемы равна энергии, поступившей от источника за весь период. Таким образом, благодаря накоплению энергии в конденсаторе Cф в интервале период l - l
обеспечивается непрерывность тока в контактной сети. На обмотки асинхронной машины подаются прямоугольные импульсные напряжения. В течении каждого периода регулирования изменяется ширина и полярность импульсов напряжения, подводимых к каждой фазе асинхронной машины. В результате формы кривых фазового тока получаются близкими к синусоидальным.
Содержание высших гармоник в кривых фазового тока зависит от частоты импульсной модуляции, разности между напряжением на нагрузке и напряжением контактной сети режима работы привода. Для подавления высших гармоник на входе инвертора установлен Lф - Cф - фильтр. Поэтому из цепи источника питания потребляется практически постоянный ток.
В режиме тяги регулирование мощности привода производится следующим образом: при пуске момент на валу тяговых машин поддерживается постоянным, мощность, развиваемая тяговым приводом, постепенно увеличивается до максимального значения.
Затем мощность привода поддерживается на максимальном уровне и уменьшается магнитный поток тяговых машин.
В конце регулирования с ростом частоты вращения роторов тяговых машин мощность, реализуемая тяговым приводом, постепенно уменьшается. Переход из режима тяги в режим электрического торможения осуществляется изменением частоты переключений инвертора в сторону уменьшения, при этом асинхронные машины переходят в генераторный режим, а инвертор выполняет функции управляемого выпрямителя.
Для согласования мощности асинхронных машин в режиме торможения с установленной мощностью инвертора в цепь обмоток асинхронных машин включен тормозной резистор R, на котором рассеивается часть тормозной энергии в диапазоне высоких скоростей торможения, а также при отсутствии в сети потребителей рекуперируемой энергии. Защита от юза и боксования на вагонах «Русич» осуществляется системой «Витязь», для чего в систему управления пневматическими тормозами входят блоки управления противоюзной защиты. При нарушении условий сцепления процессов пуска и торможения, блоки своевременно снижают вращающий момент боксования и давление вТЦ, что приводит к устранению юза без существенных потерь силы тяги и тормозной силы.
Эффект Холла
Эффектом Холла (рис.16) называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.
Если в магнитное поле с индукцией В поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону.
Рис. 16 Эффект Холла.
В магнитном поле с индукцией В находится полупроводниковая пластинка, через которую протекает электрический ток. Действие эффекта Холла заключается в том, что на боковых сторонах пластинки перпендикулярно направлению тока возникает разность потенциалов - напряжение Холла или ЭДС Холла UH. Максимальное значение U принимает при совпадении вектора В с нормалью к пластинке, что нашло широкое применение в разработке различных датчиков.
