Vehicule electrice motoare cu aderenta la calea de rulare ghidata si echipate cu
masini de tractiune asincrone trifazate. Schema bloc a echipamentului de ...
3.3. Vehicule electrice motoare cu aderenta la calea de rulare ghidata si echipate cu masini de tractiune asincrone trifazate Schema bloc a echipamentului de actionare a unui VEM cu masini de inductie si convertor static de frecventa alimentat de la LC de curent continuu este prezentata in figura 3.8. Dupa cum se poate observa in figura, convertorul static de frecventa are in structura sa trei blocuri principale si anume: convertorul de retea; circuitul intermediar de curent continuu; convertorul de masina . CSF Convertor de retea
=
Circuit intermediar de curent continuu
Convertor de masina
= M 3~
ULC
=
3
Fig. 3.8. Schema de principiu a unui sistem de actionare cu masina de inductie alimentata prin CSF. Convertorul de masina este un invertor trifazat de putere cu comutatie proprie, care poate fi de curent sau de tensiune. In primul caz, in circuitul intermediar este necesara o bobina, in cel de-al doilea fiind necesar un condensator. Convertorul de retea, in cazul utilizarii invertorului de curent, este un VTC si serveste la modificarea curentului din circuitul intermediar. In cazul utilizarii invertorului de tensiune convertorul de retea poate lipsi, invertorul fiind conectat direct la LC de c.c. si dimensionat pentru intregul domeniu de variatie a tensiunii de alimentare. In continuare se vor prezenta doua scheme de principiu ale unor VEM echipate cu masini asincrone de tractiune alimentate prin variator de tensiune continu si invertor de curent, respectiv VEM echipate cu masini asincrone de tractiune alimentate prin variator de tensiune continu si invertor de tensiune.
3.3.1. VEM echipat cu masini de inductie, VTC si invertor de curent 3.3.1.1. Schema electrica de principiu Figura 3.9 prezinta schema electrica de principiu a unui VEM echipat cu masini de inductie si convertor static de frecventa alimentat de la LC de curent continuu (metroul din Hamburg). TB
RB
CSI HS
SL
LF
TH
Ld
LK TU
RL
TL
CK
DB
LU
DL
RV
DF
ULC
SV
US CS
RS
CF
LS TS
Intrerupator principal : HS; Contactor de preincarcare : SL; Rezistor de preincarcare : RL; Filtru : Bobina LF; Condensator CF; Circuit rezonant serie acordat pe 50 HZ CS, LS, RS; Variator de tensiune continua : Tiristor principal TH; Tiristor de schimbare a polaritatii TU; Tiristor de stingere TL; Elemente de circuit CK, LU, LK;
Circuit de franare reostatica : RB, TB; Dioda de regim liber : DF; Dioda de franare : DB; Tiristor de comutatie : TS; Invertor de curent : CSI; Bobina de netezire : Ld; Rezistor : RV; Contactor : SV;
Figura 3.9. Schema electrica de principiu a unui VEM echipat cu masini de inductie si convertor static de frecventa alimentat de la LC de curent continuu (metroul din Hamburg). De la linia de contact, alimentarea convertorului static de frecventa se face prin intermediul unui intrerupator rapid principal, HS, cu rol de cuplare-decuplare a
circuitului de forta si de protectie la suprasarcini si scurtcircuite. Pentru evitarea interferentelor electromagnetice este prevazut un filtru de retea (format din bobina LF, condensatorul CF si circuitul resonant serie acordat pe 50 Hz -LS,CS,RS) La pornire contactul SL este deschis, circulatia curentului facandu-se prin rezistorul de preincarcare RL, pentru a se asigura incarcarea condensatorilor de stingere. Dupa un anumit timp acesta este scurtcircuitat de SL. Convertorul static de frecventa are in componenta urmatoarele elemente: Variatorul de tensiune continua este un convertor de un cadran, cu tiristorul principal TH si circuitul de stingere format din tiristorul TU de schimbare a polaritatii, tiristorul de stingere TL si elementele pasive CK, LU, LK. Alegerea tiritorului principal ca tiristor cu conductie inversa permite independenta perioadei de comutatie de curentul de sarcina. Timpii morti sunt astfel relativ mici. Schema aleasa, cu tiristoare diferite pentru schimbarea polaritatii si pentru stingere, asigura un grad de libertate pentru perioada de stingere. Acest lucru este important in aprinderea sau stingerea tiristorului TS, care asigura tranzitia de la le regimul de tractiune la cel de franare electrica. Pentru a asigura o franare mixta recuperativ reostatica este introdus in circuit grupul TB-RB, in paralel cu VTC. Variatorul si dioda de regim liber DF formeaza un grup de comutatie care lucreaza la frecventa de chopare. Tiristorul TS si dioda de franare DB formeaza un alt grup de comutatie, care intra in functie in cazul modificarii modului de operare. Dioda DL este necesara pentru stingerea tiristorului TS. Cat timp TS conduce (regimul de tractiune), tensiunea pe sarcina este ULC , 0 t Tc , (3.1) US 0, Tc t T unde T este perioada si Tc este timpul de conectare ale VTC. Valoarea medie a tensiunii pe sarcina este Tc US * ULC a * ULC , 0 a 1. (3.2) T Daca TS este blocat (regimul de franare electrica), tensiunea pe sarcina este 0, 0 t Tc , (3.3) US ULC , Tc t T in cazul franarii recuperative, sau 0, 0 t Tc (3.4) US Id * R B , Tc t T la o franare electrica reostatica. Circuitul intermediar de curent continuu al convertorului static de frecventa este reprezentat de bobina Ld. Invertorul de curent are schema prezentata in figura si alimenteaza trei masini de inductie. In cazul franarii la viteze mari se inseriaza in circuitul masinilor de tractiune rezistoarele RV pentru limitarea curentului de franare. Odata cu reducerea vitezei sub o anumita valoare, cele trei rezistente vor fi scurtcircuitate de contactorul SV. O alta varianta de rezolvare a problemei in domeniul franarii la viteze mari este introducerea unui singur rezistor in circuitul intermediar de curent continuu.
Invertoarele de curent si masinile de tractiune sunt proiectate pentru tehnica de control cu frecventa de alunecare constanta, astfel ca cele din urma functioneaza dupa caracteristici asemanatoare masinilor de curent continuu cu excitatie serie. Corespunzator, continutul de armonici superioare al cuplului si al tensiunii de intrare a invertorului este redus. Raportul tensiune/curent si unghiul de faza dintre cele doua sunt independente de sarcina, astfel ca durata comutatiei invertorului nu creste la sarcini reduse. Curentul de mers in gol si unghiul de faza reduse ale masinilor de tractiune, ca si valoarea mare a capacitatilor condensatoarelor invertorului ofera un grad de libertate sporit in proiectare comparativ cu tehnica de control cu flux constant. Fiecare rama de metrou este echipata cu doua module convertor static de frecventa-masini de tractiune, controlul CSF fiind asigurat de un microcomputer. Acesta furnizeaza frecventa de comanda a CSI si defineste valoarea impusa a curentului dat de VTC. In regimul de tractiune, pe perioada de conductie a VTC, curentul Id circula de la sina de contact prin tiristorul principal-bobina din circuitul intermediar (Ld)- invertortiristor TS-sina de cale. In perioada de blocare a VTC curentul Id este preluat de dioda de regim liber DF. In regimul de franare electrica tiristorul TS este blocat, iar tensiunea medie pe sarcina este negativa. VTC-ul este cuplat in paralel cu IC. La viteze mari contactorul SV este deschis si cele trei rezistente RV sunt introduse in serie cu masinile de tractiune. Atat timp cat TS conduce, tensiunea pe sarcina este nula. Curentul de la masinile de inductie (lucrand ca generatoare) circula prin invertor( care lucreaza ca redresor), TS, prin dioda de fuga (sau de regim liber) DF si prin bobina Ld si creste in functie de tensiunea la bornele invertorului. In perioada de blocare a VTC energia acumulata in inductivitatile din circuit este: trimisa in retea, sistemul lucrand in regim de franare electrica recuperativa, daca linia este receptiva, pe circuitul masini de tractiune-dioda de frana DB – filtrul de retea – dioda de regim liber (DF). debitata pe un rezistor de franare, sistemul lucrand in regim de franare reostatica, curentul comutand de pe LF – DF pe TB – RB. La trecerea de la regimul de tractiune la cel de franare electrica tiristorul TS trebuie blocat. Conditia initiala este blocarea tiristorului principal, TH. Curentul in circuitul de curent continuu circula pe traseul TS – DF, tensiunea pe sarcina este 0. La momentul t1 (fig. 3.10b) este aprins tiristorul TU. Dupa descarcarea si reincarcarea condensatorului la tensiune inversa, cu tensiunea pe sarcina 0, la momentul t2 are loc comutatia curentului de pe DF – TS pe ramura DL – LU – CK. Comutatia curentului ia sfarsit la t3. La momentul t4 polaritatea tensiunii pe CK se schimba. Imediat ce valoarea tensiunii pe CK atinge valoarea necesara se da comanda de deschidere a tiristorului principal (la momentul t5). Curentul comuta de pe DL – LU – CK pe DB – TH – LK.
a)
b)
Fig. 3.10. a) Diagrame de tensiuni si curenti in regim de tractiune electrica. b) Diagrame de tensiuni si curenti in timpul blocarii tiristorului TS Trecerea de la regimul de franare electrica la cel de tractiune se face prin aprinderea simultana a tiristorului principal TH si a lui TS. Schema prezentata are o serie de avantaje, si anume: asigura trecerea automata de la un regim de functionare la altul, conferind VTC-ului de un cadran comportamentul unui convertor de doua cadrane; prin prezenta filtrului de intrare in structura caruia intra si circuitul rezonant serie acordat pe 50 Hz se evita interferentele magnetice cu reteaua de alimentare de c.c.; tensiunile aplicate pe semiconductoare nu depasesc 750 V, astfel incat nu sunt necesare conexiuni serie ale dispozitivelor semiconductoare; de asemenea, avand in vedere valoarea de 800A pentru curentul Id nu este necesara conexiunea paralel a mai multor dispozitive semiconductoare in vederea distribuirii curentului pe mai multe ramuri. 3.3.1.2. Tehnici de reglare utilizate la comanda VEM echipat cu masini de inductie, VTC si invertor de curent Caracteristica mecanica de regim permanent a unui motor asincron de tractiune alimentat de la invertor de curent, functionand deci la curent imprimat (figura 3.11), difera esential de cea, cunoscuta, a masinii asincrone alimentata in tensiune. Masina asincrona de tractiune nu poate functiona, la curent imprimat, pe portiunea stabila a caracteristicii sale mecanice, 0 s s(kic) , unde derivata partiala a cuplului electromagnetic in raport cu alunecarea este pozitiva, deoarece aceasta portiune corespunde unor alunecari foarte reduse, la care curentul statoric este exagerat de mare, saturand magnetic masina si alterand factorul ei de putere.
Pe de alta parte, alunecarea nominala sN a masinii corespunde, pe caracteristica mecanica de functionare la curent imprimat unei portiuni instabile (unde derivata partiala a cuplului electromagnetic in raport cu alunecarea este negativa). Se impune, asadar, un sistem de reglare a masinii asincrone de tractiune cu curent imprimat de la CSF, pentru asigurarea unei functionari static stabile in zona alunecarilor mici, s(kic) s s(kia ) . La VEMC operationale, sistemul de reglare se bazeaza, de obicei, pe controlul curentului statoric si al pulsatiei de alunecare. Expresia cuplului este: 3pR'2 m2 2 . (3.5) Me ( m , 2 ) R'22 22 L'2 2
Me
Mki(3) Mki(4) Mki(1,2)
s ski(3)
ski(1,2)
ski(4)
Figura 3.11. Caracteristica mecanica de regim permanent a unui motor asincron de tractiune alimentat de la invertor de curent In domeniul frecventelor statorice subnominale, functionarea la cuplu constant a masinii asincrone de tractiune cu curent imprimat de la CSF se obtine prin mentinerea constanta a pulsatiei de alunecare si a fluxului magnetic principal. Valoarea curentului statoric, pentru m=const., se poate prescrie, in functie de 2, din ecuatia m
R' 2 LmI1 22 R' 2
2 2 2 L' 2 2 2 2 L'2
1 2
(3.6)
cu o constanta in membrul stang. Aceasta ecuatie depinde, insa, si de rezistenta rotorica , R‟2 , variabila cu temperatura masinii. Pulsatia de alunecare 2 se aduna cu pulsatia electrica instantanee a rotorului, pentru a se obtine pulsatia 1 de comanda a invertorului de curent, respectiv de alimentare a statorului masinii asincrone de tractiune. Pentru ca VEMC sa obtina viteze suficient de mari, dupa atingerea tensiunii limita a invertorului (respectiv, tensiunii nominale a masinii de tractiune) cresterea in continuare a frecventei f1 trebuie sa decurga la tensiune constanta. Aceasta inseamna insa reducerea cuplului electromagnetic al masinii de tractiune. Ca urmare, in domeniul frecventelor
statorice supranominale, masina asincrona de tractiune va functiona la putere constanta, ceea ce revine la Me
Me (
1
2)
In acest caz rezulta pentru pulsatia de alunecare 2 2
3pR'2 L2mI12 kL'22
2 2
(3.7)
const. 2
o variatie (in functie de ) de forma
R'22 L'22
0.
(3.8)
Cu buna aproximatie, ecuatia (3.8) reprezinta o dreapta. Sistemul de reglare a masinii de tractiune trebuie sa genereze numai segmentul de pe aceasta dreapta de aproximare delimitat : superior de punctul ( „, „2), cu „=pkvvmax (vmax fiind viteza maxima a VEMC, iar kv, coeficientul de transformare din rad/s in km/h), respectiv cu „2 obtinut din ecuatia (3.8) pentru „; inferior de punctul ( “, “2), cu “=pkvv”, determinat de viteza v” a VEMC la care se atinge tensiunea limita a invertorului, respectiv cu “2 obtinut din (3.8) pentru “. In figura 3.13 se prezinta schema de reglare scalara a masinii asincrone de tractiune cu curent imprimat de la CSF. La viteze mici, deci la turatii reduse ale motoarelor de tractiune apar cupluri oscilante (sau pendulare) cu efecte nedorite. La alimentarea motorului cu blocuri (dreptunghiulare de curent de cate 120 el., apar alaturi de fundamentala f1 si armonici de frecventele f1 ( 6k 1 ), unde k=1,2,3... . Aceste armonici produc cupluri oscilante cu frecventele 6f1k, dintre care cel mai nedorit este cuplul cu frecventa 6f1, intrucat poate provoca rezonante mecanice in complexul motor de tractiune - transmisie - boghiu carcasa VEMC. Cuplurile oscilante se pot elimina sau diminua printr-o fragmentare a blocului de curent de durata T/3. La turatii ridicate apar functionari anormale ale invertorului prin ramanerea in conductie a diodelor sau intrarea anormala a acestora in conductie, datorita timpului de comutatie foarte mic. In vederea eliminarii acestor probleme se pot micsora valorile capacitatilor condensatorilor de comutatie sau, din proiectare, se poate mari intrefierul masinii de inductie de tractiune. In vederea eliminarii dezavantajelor reglarii scalare a masinii asincrone alimentata de la CSF la curent imprimat si pentru a asigura un control riguros si mult mai eficient si in timpul pornirilor si opririlor (foarte dese in cazul vehiculelor electrice) s-a dezvoltat un sistem de reglare vectoriala a acesteia. Astfel, pornind de la ecuatiile diferentiale vectoriale ale masini de inductie
d
S
j
dt d
k
S
u S RS i S
R
dt
j(
k)
S
LS iS
Lm i R
R
Lm i S
LR i R
Me
k m Im(
R
. i ) Rx S
RR i R (3.9)
km|
iS |sgn(
R
iS )
R
scrise intr-un sistem de axe d – q, aflat in rotatie cu viteza unghiulara k (vezi figura 3.12). Sistemul de ecuatii (3.9) este limitat la armonica fundamentala a campului din intrefierul masinii, utilizarea vectorilor reprezentativi permitand o reprezentare sintetica din punct de vedere matematic si intuitiva din punct de vedere fizic a comportarii in regim stationar si dinamic a masinii asincrone.
y
- , referential fix fata de stator; d – q, referential ce se roteste cu viteza x – y, referential legat de fluxul rotoric
q
iS iS iSy
k
fata de stator;
x R
iSx
d
iS reglarii vectoriale a masinii asincrone de tractiune. Figura. 3.12. Sisteme de axe pentru Sistemul (3.9) se particularizeaza prin alegerea convenabila a referentialului arbitrar x-y, si anume atasandu-l vectorului reprezentativ al fluxurilor magnetice rotorice, d R adica k si R 0. Vectorul reprezentativ R este, Rx R , Ry R dt
deci, aliniat cu axa Ox a referentialului mobil x-y, particular adoptat. In acest referential, vectorul reprezentativ al curentilor statorici, iS este definit ca iS iSx jiSy , avand modulul iS si argumentul , unde este unghiul spatial dintre vectorii reprezentativi ai fluxului rotoric si curentilor statorici. Tinand cont de acestea, vectorul reprezentativ al curentilor rotorici devine:
iR
1 LR
R
Lm i S
(3.10)
Inlocuind (3.11) in ecuatia de tensiuni a rotorului si facand proiectia ecuatiei obtinute pe cele doua axe x si y ale referentialului ales rezulta: d R 1 Lm iSx R dt R R (3.11) Lm 0 ( ) R iSy R R
Astfel, iSx reprezinta componenta de flux, sau magnetizanta, a vectorului reprezentativ al curentilor statorici. Expresia cuplului electromagnetic in referentialul adoptat rezulta: (3.12) Me k m RiSy k m RiS sin Ecuatia (3.12) pune in evidenta componente de cuplu iSy a vectorului reprezentativ al curentilor statorici, determinand nemijlocit valoarea cuplului electromagnetic al masinii asincrone de tractiune. Expresia cuplului, scrisa sub forma 3 p R2 (3.13) Me ) R( S 2 2 Lm reda faptul ca, la flux rotoric constant, caracteristica mecanica a masinii asincrone de tractiune rezulta liniara si asemenatoare cu cea a motorului de curent continuu cu excitatie separata. De asemenea, mentinerea frecventei de alunecare constante inseamna mentinerea unghiului de cuplu, , constant. De importanta deosebita in schemele de reglare vectoriala cu orientare dupa fluxul rotoric este cunoasterea pozitiei momentane a vectorului reprezentativ al fluxurilor rotorice. Aceasta pozitie se poate masura sau se poate calcula pe baza unor marimi masurabile la bornele masinii asincrone de tractiune. In figura 3.14 se prezinta schema de reglare a sistemului convertor static de frecventa - masina asincrona de tractiune. In schema de reglaj sunt apar urmatoarele blocuri: Blocul TS - transformare de sistem, care face transformarea din sistem trifazat in sistem bifazat [ ]. Blocul AV - analizor de vector, care pe baza componentelor din sistemul bifazat determina modulul si argumentul vectorului respectiv, si anume
2 R
R
cos
2 R R
(3.14)
R
R
sin
R R
.
R
Blocul C R - calcul flux rotoric, care, pe baza tensiunilor si curentilor statorici in sistem bifazat, calculeaza componentele fluxului rotoric. Blocul GV - generator de vector, cu aceeasi functie ca si AV. Blocul C iS - calcul pulsatie statorica, pe baza datelor furnizate de AV pentru iS.
