4.7. Регулирование скорости ад в каскадных схемах включения

Ранее было отмечено, что регулирование скорости АД при использовании ряда способов (реостатного, с помощью ТПН и др.) сопровождается выделением в цепи ротора потерь скольжения что значительно снижает технико-экономические показатели асинхронного электропривода. При мощности электропривода в несколько сотен или тысяч киловатт потери скольжения становятся весьма большими по абсолютному значению.

В связи с этим появляется стремление использовать энергию скольжения для совершения полезной работы. Первые схемы, в которых полезно использовались потери скольжения, создавались путем специального соединения АД с другими электрическими машинами. Поэтому эти схемы получили название каскадных. В настоящее время существуют схемы, использующие энергию скольжения АД без добавочных вращающихся электрических машин, а с помощью полупроводниковых приборов и трансформаторов. Однако эти схемы также называются каскадными.

В общем случае каскадными называют такие схемы включения АД, которые, обеспечивая регулирование его скорости, позволяют одновременно полезно использовать энергию скольжения.

По способу использования энергии скольжения различают две принципиально разные схемы. Первая из них показана на рис 4.34, а. Асинхронный двигатель с фазным ротором потребляет из сети мощностьP₁. Большая ее часть в виде механической мощностиР_мотдается рабочей машине, а некоторая часть в виде мощности скольженияР_мпоступает на вход преобразователяП(его реализация будет рассмотрена далее). ПреобразовательПпреобразует мощность скольжения при частотеf₂=f₁sв мощностьР_эл,спри частотеf₁и отдает ее в сеть. Отдаваемая в сеть мощность

(4.43)

где Р_п– потери в преобразователе;Р_2эл– электрические потери в обмотке ротора АД.

На рис. 4.34, бпредставлена другая схема полезного использования энергии скольжения. Для этого в схеме кроме преобразователяПиспользуется вспомогательный двигательВМ, находящийся на одном валу с основным АД. Мощность скольжения в этом случае за вычетом потерь в роторе, преобразователе и двигателеВМпоступает на вал в виде механической мощностиР_в,м

(4.44)

где Р_в,м– потери во вспомогательном двигателе.

Если пренебречь потерями в каскадной схеме, то можно установить, что рабочей машине РМпередается вся электромагнитная мощностьР_эм. Действительно, на вал от АД поступает мощностьР_м=Р₂=М, от двигателяВМ – мощностьР_в,м=Р₂= М₀s, в результате суммарная механическая мощность на валу каскада. Вследствие этого каскады, реализованные по схеме рис. 4.34,б, называют каскадами постоянной мощности.

Каскады, реализуемые по схеме рис 4.34, а, в которой энергия скольжения возвращается в питающую сеть, называются электрическими. Каскады, соответствующие схеме рис. 4.34,б, в которой энергия скольжения возвращается на вал основного АД, называются электромеханическими.

В зависимости от вида используемых в каскадных установках устройств различают машинные, машинно-вентильные и вентильные каскады. Первый вид каскадных схем – машинный – реализуется с помощью только электрических машин – одноякорных преобразователей, синхронных машин, коллекторных машин переменного тока. Машинные ; каскады исторически появились раньше всех других каскадных установок. С развитием электронной техники стало возможным реализовать преобразователь с использованием управляемых и неуправляемых полупроводниковых вентилей. В результате этого появились машинно-вентильные и вентильные каскадные схемы, которые и рассматриваются далее как наиболее перспективные и обладающие более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с машинными.

Для пояснения принципов регулирования скорости и полезного использования энергии скольжения обратимся к рис 4.35, на котором представлены три схемы роторной цепи АД. В схеме рис. 4.35, а в цепь ротора включен дополнительный резистор R_2д, в схеме рис 4.35,б– ЭДС переменного токаЕ_, а в схеме рис. 4.35,б– ЭДС постоянного токаЕ₌, подсоединенная к выводам выпрямительного мостаV, обеспечивающего выпрямление ЭДС ротора. РегулируяR_2д,Е_,Е₌, можно изменять ток в роторе двигателя, а тем самым его момент и скорость. Однако если в схеме рис. 4.35,аэто регулирование сопровождается расходованием энергии скольжения на нагрев резистораR_2д, то в схемах рис 4.36,бивэта энергия потребляется источниками ЭДС и может быть полезно использована.

На рис. 4.36, аибприведены схемы машинно-вентильных электромеханического и электрического каскадов. В роторную цепь АД включается трехфазный выпрямительный мостV, собранный из полупроводниковых вентилей. К выводам мостаVподсоединен якорь вспомогательного ДПТ независимого возбуждения, ЭДС якоря которогоЕ_в,мнаправлена навстречу ЭДС выпрямителяЕ_в.

В результате такого соединения энергия скольжения переменного тока частоты f₂выпрямителемVпреобразуется в энергию постоянного тока, которая поступает на вспомогательную машинуВМи преобразуется в ней в механическую энергию. Далее в электромеханическом каскаде (рис.4.36,а)она возвращается на вал основного АД, а в электрическом каскаде с помощью синхронного генератораG– в питающую сеть переменного тока частотыf₁.

Регулирование скорости машинно-вентильных каскадов происходит за счет изменения ЭДС Е_в,мвспомогательного двигателяВМ, которое осуществляется регулированием его тока возбужденияI_в. Рассмотрим процесс регулирования скорости в каскадных схемах подробнее.

Предположим, что при работе электропривода в установившемся режиме происходит увеличение тока возбуждения I_в. Это повлечет за собой увеличение ЭДСЕ_в,ми уменьшение выпрямленного токаI_d, который определяется выражением

(4.45)

где R_– суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока.

УменьшениеI_dи тем самым тока ротора АД вызовет снижение его электромагнитного момента, который станет меньше момента нагрузкиМ_с. В результате этого скорость двигателя начнет снижаться, а его скольжение и ЭДС роторной обмоткиЕ₂=Е_2кsначнут возрастать. Увеличение ЭДС ротора приведет к увеличению тока ротора и тем самым момента АД, который вновь станет равным моменту нагрузки, и скорость АД перестанет изменяться. Двигатель опять будет работать в установившемся режиме, но уже при более низкой скорости.

На рис. 4.37, а,бприведены механические характеристики соответственно электромеханического и электрического каскадов при различных токах возбуждения вспомогательного двигателяВМ.

Для механических характеристик электромеханического каскада рис. 4.36, ахарактерно возрастание максимального момента по мере снижения скорости каскада, поскольку по мере увеличения тока возбужденияВМего момент также возрастает. При этом максимальная механическая мощность каскада, определяемая произведением максимального момента на соответствующую этому моменту скорость, при разных токах возбужденияВМпримерно одинакова. Поэтому электромеханический каскад называют каскадом постоянной мощности.

Механические характеристики электрического каскада приведены на рис. 4.37, б. При токе возбужденияВМ, близком к нулю, механическая характеристика каскада близка к естественной характеристике основного АД. По мере увеличения тока возбуждения искусственные характеристики располагаются ниже естественных, причем номинальному току возбужденияI_в,номсоответствует самая низкая характеристика. Максимальный момент каскада, определяемый только основным АД, сохраняется на разных характеристиках примерно постоянным. Поэтому электрический каскад называют каскадом постоянного момента.

В настоящее время в связи с широким развитием и распространением силовой полупроводниковой аппаратуры, в частности тиристоров, повсеместно наблюдается тенденция заменять электромашинные вращающиеся преобразователи энергии на статические ПЧ. В частности, электромашинный агрегат ВМ–Gна рис. 4.36,бпредставляет собой преобразователь энергии постоянного тока, поступающей от выпрямителяV, в энергию переменного тока, отдаваемую в сеть. Такой машинный агрегат может быть заменен на статический ПЧ энергии, состоящий из трансформатораТи инвертораИ, как показано на рис. 4.38. Принципы действия схем, приведенных на рис. 4.38 и 4 36,б, аналогичны.

Инвертор, как уже отмечалось, представляет собой преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Электродвижущую силу инвертора можно регулировать аналогично тому, как регулируется ЭДС ДПТ. Поэтому механические характеристики асинхронного каскада по схеме рис. 4.38 аналогичны характеристикам вентильно-машинного электрического каскада по схеме рис. 4.36, би подобны приведенным на рис. 4.37,б. В схеме рис. 4.38 в роторную цепь АД включены полупроводниковые неуправляемые вентили выпрямителяВи управляемые вентили инвертораИ, а также реакторL(катушка индуктивности), который служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Асинхронный электропривод по схеме рис 4.38 получил название асинхронного вентильного каскада.

Существует еще много схем асинхронных вентильных каскадов, аналогичных представленным на рис. 4.38. Эти схемы несколько отличаются по своей сложности, техническим возможностям регулирования скорости, энергетическим показателям и т. д. Однако принцип действия и назначение этих схем и схемы рис. 4.38 аналогичны: использование энергии скольжения для совершения полезной работы и возможность плавного регулирования скорости АД.

Отметим основные показатели регулирования скорости АД в каскадных схемах включения.

Практический диапазон регулирования скорости в каскадных схемах обычно не превышает двух. Вызвано это тем обстоятельством, что по мере роста диапазона регулирования скорости и тем самым скольжения АД требуется увеличивать установленную мощность всех устройств в роторной цени АД. Так, при диапазоне, равном двум, установленная мощность машинно-вентильного электрического каскада составляет 250%, из них: основной АД–100%, выпрямитель, вспомогательный двигатель и синхронный генератор – по 50 %.

Плавность регулирования скорости в каскадных схемах достаточно высокая, что достигается плавным изменением ЭДС ПЧ.

При каскадном регулировании скорости коэффициент мощности привода относительно невелик, что вызывает необходимость применения компенсирующих устройств, например конденсаторов. Следует отметить также, что в каскадных схемах включения критический момент АД снижается на 15–17 % по сравнению с критическим моментом основной схемы включения.

В целом каскадный способ является экономичным способом регулирования скорости АД.

Специальные каскадные установки позволяют регулировать скорость АД не только вниз от синхронной, но и выше ее, при этом получается выигрыш в габаритах преобразовательных устройств – трансформатора и вентильного преобразователя. Такие каскадные установки называют установками с двухзонным регулированием. Однако каскады с двухзонным регулированием дороже и сложнее установок, собранных по схеме рис. 4.38.