книги / Теория электропривода.-1

лем, и мощность определяются схемой включения. Так, например, переключение обмоток статора по схеме «звезда» – «двойная звезда» (см. рис. 5.10, а) соответствует регулированию скорости с постоянным моментом. Поскольку критиче-

ский момент двигателя определяется как Mк ≡ P1 , то при

ω0

этой схеме переключения увеличивается электромагнитная мощность Р1 вдвое из-за увеличения фазного тока при неизменном значении фазного напряжения. Тогда при увеличении синхронной скорости двигателя также в два раза отношение критических моментов остается постоянным:

Если выполнено переключение обмоток статора по схеме «треугольник» – «двойная звезда» (см. рис. 5.10, б), отношение моментов определяется при снижении фазного напря-

жения в 3 раз, увеличении фазного тока в два раза и увеличении синхронной скорости вдвое:

т.е. критический момент снижается также примерно вдвое.

Рис. 5.12. Механические характеристики АД при: а – «звезда» – «двойная звезда»; б – «треугольник» – «двойная звезда»

171

На рис. 5.12 показаны механические характеристики двухскоростного асинхронного двигателя при изменении числа пар полюсов.

5.6.Регулирование скорости АД

вкаскадных схемах

5.6.1.Принцип построения каскадных схем

Как уже указывалось ранее, в соответствии с (5.11), (5.15) потери в АД с фазным ротором составляют ∆P2 = = Mω0 · s = P1s. При больших величинах скольжения s эти потери могут быть достаточно велики, рассеяние их на сопротивлениях в цепи ротора снижает экономические показатели АД.

Непосредственная передача энергии роторных потерь в сеть переменного тока невозможна из-за разницы частот тока в сети и роторе АД. Передача энергии потерь в сеть или на рабочую машину при превращении энергии роторных потерь в механическую энергию возможна при использовании каскадных электромашинных или вентильных

устройств.

Регулирование скорости АД

вкаскадных схемах [5] основано на введении в цепь ротора АД добавоч-

ной ЭДС Eд согласно или встречно с ЭДС ротора Е2 (рис. 5.13).

Ток в роторе АД без введения

внего добавочной ЭДС будет равен

где Е2н – ЭДС между кольцами неподвижного ротора (при s = 1).

172

Уравнение (5.46) показывает возможность регулирования скольжения s, или то же, что и ω2, изменением Eд, вводимой в ротор, так как ω = ω0(1 – s).

Рассмотрим работу АД при постоянном моменте сопротивления.

Если Eд = 0, то ток в роторе АД определяется только ЭДС обмотки ротора E2 = E2н · s и ее сопротивлением z2.

Введение добавочной ЭДС встречно ЭДС ротора приводит к уменьшению тока ротора и, следовательно, к уменьшению электромагнитного момента двигателя. Поскольку момент двигателя становится меньше момента сопротивления Mc, двигатель начинает замедляться. Но при уменьшении скорости увеличивается скольжение и ЭДС ротора, что, в свою очередь, приводит к увеличению тока ротора и момента АД. Когда этот момент будет равен Mc, двигатель перестанет замедляться. Наступает установившийся режим работы, но при меньшей скорости ротора.

Энергия скольжения ∆Р2 = Р1 · s может быть возвращена либо в сеть, либо на вал АД с помощью вспомогательного двигателя (ВД).

В соответствии с этим различают два вида каскадных установок с АД:

1)электромеханические каскады (энергия скольжения возвращается на вал АД);

2)электрические каскады (энергия скольжения возвращается в сеть переменного тока), которые, в свою очередь, подразделяются на вентильно-машинные и так называемые асинхронно-вентильные каскады.

173

5.6.2. Электромеханический вентильно-машинный каскад

Схема каскада приведена на рис. 5.14, в нем используется вспомогательный двигатель ВД, ЭДС якоря которого, регулируемая резистором Rр, является добавочной Eдоб каскадной установки. Направления передаваемых мощностей показаны на рисунке стрелками.

Электромагнитная мощность двигателя

P1 = Mω0 = Mω0 + Mω – Mω = M (ω0 −ω) ω0 + Mω =

ω0

= Mω0s + Mω.

Эта мощность двигателя распределяется на полезную мощность на валу и мощность потерь:

Рис. 5.14. Электромеханический вентильно-машинный каскад

В данном электромеханическом каскаде скорость асинхронного двигателя регулируется при постоянной мощности,

т.е. в уравнении (5.47) M = Mc = const.

174

При увеличении тока возбуждения Iв вспомогательной машины возрастает момент, который передается на вал АД от жестко связанного с ним ВД, и скорость снижается. Семейство механических характеристик имеет практически параллельные линейные участки. Сопротивления якоря ВД, сглаживающего дросселя Др и вентилей, включенных в роторную цепь, снижают жесткость механических характеристик из-за увеличивая значения приведенного сопротивления роторной цепи. За счет этого пусковой момент АД на всех регулировочных характеристиках одинаков и не зависит от тока возбуждения Iв вспомогательного двигателя, хотя становится большего значения, чем у естественной характеристики. Выпрямленный ток ротора

Величина I2, а следовательно, и пусковой момент при ω = 0 и EВД = 0 не зависят от тока возбуждения.

Критический момент АД в каскадной установке уменьшается по сравнению с критическим моментом на естественной характеристике из-за влияния коммутации анодов роторных вентилей.

При увеличении тока возбуждения Iв вспомогательной машины ВД возрастает и момент, который передается на вал АД. Поэтому критический момент АД в электромеханическом вентильно-машинном каскаде растет с ростом тока возбуждения ВД.

Примерный вид механических характеристик приведен на рис. 5.15. Диапазон регулирования скорости в каскадной схеме не применяют выше 2:1, так как увеличение диапазона регулирования скорости приводит к неоправданному увеличению мощности вспомогательной машины.

175

Рис. 5.16. Схема вентильно-машинного электрического каскада

При s > s0 ток начинает расти, вызывая увеличение момента АД. Мощность скольжения без учета механических потерь в машинах ВД и СГ, а также потерь в сопротивлениях контура выпрямитель – якорь, равная ∆P = P1s = EdId = M′ω0, возвращается в сеть. Изменением тока возбуждения машины ВД, тем самым и величины ЕВД, можно изменять скольжение, при котором начинается рост тока Id, и, следовательно, регулировать скорость.

На рис. 5.17 показаны момент начала роста тока Id установкой тока возбуждения ВД, следовательно, выбор механической характеристики, соответствующей заданному значению стабилизации скорости.

Рис. 5.17. Характеристики вентильно-машинного электрического каскада

177

Рассмотренная каскадная схема обладает существенным недостатком: для преобразования роторных потерь в АД и передачи их в питающую сеть необходим специальный агрегат постоянной скорости из машины ВД и СГ, снижающий общий КПД каскадной установки.

5.6.4.Асинхронно-вентильный каскад

Всовременных электрических каскадных установках агрегат постоянной скорости заменяется инвертором, как это показано на рис. 5.18. Такой каскад называется асинхронновентильным электрическим каскадом.

Рис. 5.18. Схема асинхронно-вентильного каскада

В асинхронно-вентильном электрическом каскаде в цепь ротора после выпрямителя В вводится добавочная ЭДС Ед, получаемая регулированием угла опережения отпирания тиристоров инвертора И (угла β).

Мощность скольжения ∆Р2 = Р1·s в электрических каскадных установках возвращается не на вал АД, а в питаю-

178

щую сеть, поэтому мощность, потребляемая каскадной схемой из сети, не постоянна, а определяется величиной мощности, возвращаемой в сеть:

Пренебрегая потерями рекуперации мощности скольже-

ния, можно считать, что ∆Р2 – Ррек ≈ 0 и потребляемая мощность идет для передачи на рабочую машину, что определяет

увеличение КПД вентильного каскада.

Величина выпрямленного тока ротора, определяемого скольжением, зависит от разности выпрямленной ЭДС ротора и ЭДС инвертора с учетом сопротивления роторной цепи:

∑∆U – суммарное падение напряжения в вентилях ро-

торной и инверторной групп преобразователя;

zэ – полное сопротивление роторной цепи.

При пренебрежении ∆U условием равенства нулю тока ротора будет

Скольжением, соответствующим условию (5.51), будет скольжение холостого хода двигателя в схеме вентильного каскада.

Регулируя величину угла управления вентилей инвертора β, можно регулировать величину тока ротора Id и, следовательно, момента асинхронного двигателя.

При снижении угловой скорости КПД падает, поэтому, в частности, диапазон регулирования скорости в электрических каскадных установках невелик и, так же, как и в вен- тильно-машинных электромеханических каскадах, составляет 2:1.

179

Если КПД каскада сравнительно высок, то коэффициент мощности АВК оказывается низким, что обусловливается значительным суммарным потреблением реактивной мощности двигателем и инвертором и искажением тока инвертором. Коэффициент мощности снижается не только от увеличения нагрузки, но и от снижения угловой скорости асинхронного двигателя.

Жесткость механической скорости АВК ниже, чем у вентильно-машинного электрического каскада из-за большего значения сопротивления роторной цепи.

Каскадные схемы включения могут использоваться для двигателей как в несколько десятков киловатт, так и в несколько тысяч киловатт (при больших мощностях электропривод с асинхронным каскадом может быть единственно правильным с экономической точки зрения решением).

Недостатком каскадных установок является сложность решения вопроса торможения двигателя в режиме противовключения или в режиме рекуперации энергии в сеть при скоростях ниже синхронной (ω0). Поэтому для торможения АД в каскадных установках используется режим динамического торможения.

5.7.Характеристики асинхронного электропривода

втормозных режимах

Для асинхронного электропривода применимы способы торможения:

1.Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть.

2.Торможение противовключением при активном и реактивном моментах механизма.

3.Динамическое торможение с независимым возбуждением или самовозбуждением.

Как и для двигателей постоянного тока, генераторный режим рекуперативного торможения асинхронного электро-

180