Асинхронные каскады

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором путем включения реостата в цепь ротора сопровождается потерей энергии в реостате, что может существенно снизить энергетические показатели электропривода. Однако имеется возможность регулировать частоту вращения таких двигателей без потерь энергии в реостате. Для этого электрическую энергию, выделяющуюся в цепи ротора при скольжении (энергию скольжения), посредством преобразовательной установки передают обратно в питающую сеть переменного тока или к вспомогательному двигателю, который сообщает дополнительную механическую энергию валу основного асинхронного двигателя. Сочетание асинхронного двигателя с преобразовательной установкой или с преобразовательной установкой и вспомогательным двигателем называют асинхронным каскадом. В настоящее время в асинхронных каскадах применяют главным образом полупроводниковые преобразователи, поэтому их часто называют вентильными каскадами.

Схемы асинхронных каскадов. Нарис. 4.53показана электрическая схема вентильного каскада, в котором к ротору асинхронного двигателя 2 подключены два полупроводниковых преобразователя — 3 и 4. Рассматриваемая схема позволяет регулировать частоту вращения электродвигателя вниз и вверх от синхронной частоты вращения (s = 0). При s > 0 преобразователь 4 работает в выпрямительном режиме, а преобразователь 3 — в инверторном. При этом электрическая мощность скольжения P _s от ротора асинхронного двигателя передается через преобразователь 4 на преобразователь 3, который преобразует постоянный ток в переменный и возвращает энергию скольжения в питающую сеть. При регулировании вверх от синхронной частоты (s < 0) к ротору асинхронного двигателя через преобразователи 3 и 4 подается из сети дополнительная электрическая энергия; при этом двигатель начинает работать с частотой выше синхронной. Частота в рассматриваемом каскаде регулируется путем изменения режима работы преобразователя 3, т. е. изменения его входного сопротивления. Выходная мощность Р ₂ двигателя передается рабочей машине 1. При этом, пренебрегая потерями в двигателе и принимая Р _эм ≈ Р ₁, получаем, что мощность, передаваемая рабочей машине,

Р ₂ ≈ Р _мех ≈ Р _эм (1 - s) ≈ P ₁ (1 - s),

а развиваемый на ее валу вращающий момент при P ₁ = Р _ном = const

(4.96)

М ≈ Р ₂ /ω ₂ =P ₁ (1 - s)/[ω ₁ (1 - s)] = const.

Рис.4.53. Схема вентильного асинхронного каскада

В настоящее время асинхронные каскады используют главным образом в электроприводах с двигателями большой мощности при широком диапазоне регулирования частоты вращения.

Находят применение также каскадные схемы (рис. 4.54), в которых энергия скольжения через выпрямитель подводится к двигателю постоянного тока.

В схеме электрического каскада (рис. 4.54, а) двигатель постоянного тока 4, получающий от асинхронного двигателя 2 через выпрямитель 5 энергию скольжения P _s, вращает генератор переменного тока 3, который возвращает эту энергию в сеть.

Рис. 4.54.Схемы электрического и электромеханического каскадов асинхронного двигателя с машиной постоянного тока

Эта схема принципиально тождественна схеме (см. рис. 4.53), но применяемое электрооборудование имеет большую массу и уменьшенный КПД из-за использования вращающихся машин. Рабочей машине 1 при принятых выше идеализированных условиях передается мощность Р ₂ ≈ Р ₁(l — s) при постоянном моменте.

В схеме электромеханического каскада (рис. 4.54, б) двигатель постоянного тока 4 жестко соединен с валом асинхронного двигателя 2 и поэтому энергия скольжения преобразуется в механическую. К рабочей машине 1 подается мощность

(4.97)

Р ₂ + Р _s ≈ (1- s)Р ₁ + Р ₁ s ≈ Р ₁,

которая при Р ₁ = const остается постоянной на всех частотах.

Недостатком каскадных схем с двигателями постоянного тока является относительно высокая стоимость коллекторных двигателей и сложность их эксплуатации.

Каскадный двигатель. В ряде случаев условия эксплуатации не позволяют иметь не только коллекторные машины, но и двигатели с контактными кольцами (например, двигатели насосов артезианских скважин, нефтепроводов и т. п.). В этих случаях можно применять каскадный двигатель (рис. 4.55, а), представляющий комбинацию двух двигателей с фазными роторами, которые насажены на один вал и имеют общий корпус. Питание к каскадному двигателю подводится через первый статор 4. Обмотки роторов 1 и 2 соединены между собой с перекрещиванием фаз, вследствие чего МДС роторов вращаются в противоположные стороны. Второй статор 3 подключают к выпрямителю 6 и инвертору 7, отдающим энергию скольжения Р _s в сеть переменного тока. Вал двигателя соединяют с рабочей машиной 5.

В простейшем случае (рис. 4.55, б) в обмотку второго статора 3 можно включить трехфазный реостат 8. При этом механические

Рис. 4.55. Схемы каскадного двигателя с вентильным каскадом (а) и реостатом в цепи второго статора (б)

характеристики бесконтактного каскадного двигателя аналогичны характеристикам асинхронного двигателя с фазным ротором.

Рис. 4.56. Схемы образо­вания электромагнитного момента в каскадном двигателе: а — в первом двигателе при n 2 < n 1, б — во втором дви­гателе при n 2 < n F2

Электромагнитный момент каскадного двигателя определяется активной составляющей тока ротора, которая практически равна активной составляющей тока второго статора. Сила этого тока, как и в любом асинхронном двигателе, определяется скольжением s ₂ поля Ф₂₂ второго ротора 2 относительно второго статора 3. Поскольку МДС и поле Ф₂₂ второго ротора вращаются в сторону, обратную направлению вращения роторов 1 и 2 (рис. 4.56, а и б), скольжение s ₂определяется частотой их взаимного пересечения

(4.98)

s ₂ = (n _F2 - n ₂ )/n _F2,

где n _F2 = 60f ₂ /p = 60f ₁ s ₁ /p = n ₁ s ₁ - частота вращения МДС второго ротора 2 (f ₁ и f ₂ — частоты изменения тока соответственно в первом статоре 4 и роторе 1); n1 и s1 — частоты вращения поля Ф₁₁ первого статора 4 и скольжение ротора 1 относительно этого поля.

Учитывая, что частота вращения ротора n₂ = n₁ (1 — s), получаем

(4.98a)

s ₂ = (n _F2 - n ₂ )/n _F2 = [n ₁ s ₁ - n ₁ (1 - s ₁ )]/(n ₁ s ₁ ) = (2s ₁ - 1)/s ₁.

При s ₁ < 0,5 скольжение s ₂ является положительным и электромагнитный момент, действующий на роторы 1 и 2, совпадает с направлением вращения.

Рис. 4.57. Механические характеристики каскадного двигателя

Скольжению s ₁ = 0,5 соответствует s ₂ = 0, т. е. через ротор проходит только намагничивающий ток и момент близок к нулю. При s ₁ > 0,5; s2 < 0 и фаза активной составляющей тока изменяется: машина переходит в генераторный режим, а электромагнитный момент становится тормозящим. При замкнутых накоротко обмотках статора 3 механическая характеристика сходна с характеристикой обычного асинхронного двигателя, только переход в генераторный режим происходит при частоте, равной 0,5 n ₁ (рис. 4.57). Включение реостата в цепь статора 3 изменяет механические характеристики так же, как характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором.

Каскадные схемы асинхронных двигателей позволяют получить регулирование n ₂ без преобразователей частоты тока, т. е. сравнительно более простыми средствами. Главным недостатком всех каскадных схем является увеличение потерь в двигателе, в связи с чем увеличивают его габаритные размеры. Поэтому применение каскадных схем можно считать рациональным только на современном этапе, пока преобразователи частоты сравнительно дороги и имеют недостаточно высокую надежность.

Электропривод с асинхронным вентильным каскадом

В промышленности находит применение привод с неглубоким диапазоном регулирования частоты вращения (3:2:1), т. е. так называемый вентильный каскад, построенный на базе асинхронного электродвигателя и представляющий собой систему регулируемого электропривода переменного тока. В отличие от дроссельного и частотного управления при каскадном соединении асинхронный электродвигатель подключается к питающей сети переменного трехфазного тока. Это является большим достоинством данной системы привода перед первыми двумя. Она также имеет более высокий КПД по сравнению со всеми другими системами. Это преимущество можно объяснить тем, что в каскадных системах преобразуется только энергия скольжения, в то время как в приводах постоянного тока и системах с частотным регулированием преобразованию подлежит все количество энергии, потребляемое двигателем. По сравнению с приводами дроссельного и реостатного управления, а также с муфтами скольжения, в которых энергия скольжения теряется ими в сопротивлениях, достоинства вентильного каскада в энергетическом отношении еще более высоки. Преобразователи в роторной цепи этих систем служат лишь для регулирования частоты вращения. Привод, построенный с применением асинхронного двигателя, позволяет создать высокоскоростные регулируемые системы большой мощности. Такие системы обеспечивают плавное регулирование частоты вращения и момента, не требуют большого количества силовой и контактной аппаратуры. Рис. 1. Схемы каскадов: а — вентильного, б — вентильно-машинного, в — однокорпусного вентильно-машинного Вентильный каскад имеет также малую мощность управления, легко поддается автоматизации, обладает хорошими динамическими свойствами. Необходимо отметить, что в вентильном каскаде преобразователь частоты роторной цепи не обеспечивает циркуляции реактивной мощности для создания вращающегося магнитного потока асинхронного двигателя, так как этот поток создается реактивной мощностью, поступающей в статорную цепь. Кроме того, преобразователь, используемый в вентильном каскаде, рассчитан лишь на мощность, пропорциональную данному диапазону регулирования. В то же время в системах с частотным регулированием преобразователь участвует в создании магнитного потока и при проектировании его необходимо учитывать полную мощность привода. Простейшей схемой вентильного каскада является схема с промежуточной цепью постоянного тока и вентильным преобразователем ЭДС. В схемах вентильного (рис. а) и вентильно-машинного каскадов (рис. б) ток ротора выпрямляется по трехфазной мостовой схеме, а в цепь выпрямленного тока вводится добавочная ЭДС в первом случае от вентильного преобразователя, а во втором — от машины постоянного тока. Схема, изображенная на рис. а, состоит из асинхронного двигателя М с фазным ротором. В цепь ротора включен вентильный преобразователь V1, в котором выпрямляется переменный ток ротора. С вентильным преобразователем через дроссель L включен инвертор (вентильный преобразователь V2), являющийся источником добавочной ЭДС. Вентильный преобразователь V2 собран с трансформатором Т по трехфазной нулевой схеме. Он обычно применяется в приводах небольшой мощности. В этой схеме функции двух вентильных преобразователей четко разграничены. Здесь вентили VI выполняют функции выпрямителей, преобразуя переменный ток ротора с частотой скольжения в постоянный. Вентили V2 преобразуют выпрямленный ток ротора в переменный ток с частотой сети, т. е. они работают в режиме зависимого инвертора. В вентильно-машинном каскаде (рис. б) преобразование тока ротора, выпрямленного вентильным преобразователем V1, в переменный ток с частотой сети происходит при помощи машины постоянного тока G и синхронного генератора G1, В этой схеме роль инвертора выполняют машины G и G1. Разработаны различные схемы асинхронных вентильных каскадов, но основной и наиболее распространенной является схема, приведенная на рис.а. Представляют интерес однокорпусные агрегаты АМВК-13-4 мощностью 13 кВт. В одном корпусе такого каскада помещены асинхронный двигатель с фазным ротором, машина постоянного тока и роторная группа неуправляемых вентилей. Агрегат представляет собой двигатель переменного тока с плавным регулированием частоты вращения. Эти агрегаты способны преодолевать значительные перегрузки. Каскад имеет номинальную частоту вращения 1400 мин-1, напряжение питания 380 В и диапазон регулирования 1400—650 мин-1 без переключения статорной цепи. При переключении же обмотки статора со звезды на треугольник диапазон регулирования составит 1400—400 мин-1, момент вращения при этом постоянен, масса агрегата 360 кг, напряжение возбуждения 220 В. Агрегат имеет защищенное обдуваемое исполнение. Эти агрегаты применимы в приводах механизмов подачи. Наряду с описанными достоинствами рассмотренных систем необходимо отметить и их недостатки: высокую стоимость преобразователей вентильного и вентильно-машинного привода, низкий коэффициент мощности, низкий КПД по сравнению с асинхронным двигателем в результате того, что работа привода на максимальной частоте вращения ведется без замыкания накоротко обмотки ротора двигателя, низкую перегрузочную способность асинхронного двигателя, малое использование приводного двигателя (примерно на 5—7%), потребность в специальных пусковых средствах, обеспечивающих пусковые характеристики при неглубоком регулировании частоты вращения.

Наиболее простыми схемами вентильных и вентильно-машинных каскадов являются схемы с промежуточным звеном постоянного тока. Принципиальная схема вентильно-машинного электромеханического каскада приведена на рис. 7. К сети переменного тока присоединяется статор асинхронного двигателя «Ml», ротор которого механически связан с двигателем постоянного тока «М2». Якорь двигателя соединен через выпрямительный мост с обмоткой ротора; реализуемая двигателем постоянного тока энергия скольжения за вычетом потерь возвращается на вал привода.

0В М2
Рис. 1. Принципиальная схема вентильно-машинного электромеханического каскада.

Регулирование угловой скорости привода осуществляется изменением добавочной ЭДС, создаваемой двигателем постоянного тока, в цепи выпрямленного напряжения. Управляющим воздействием при регулировании угловой скорости является изменение тока возбуждения двигателя постоянного тока. С увеличением тока возбуждения снижается угловая скорость двигателей. Очевидно, что в электромеханическом каскаде ЭДС машины постоянного тока зависит не только от тока возбуждения, но и от угловой скорости асинхронного двигателя, поскольку обе машины находятся на одном валу.

Дата добавления: 2015-12-01