5.10. Электропривод с машиной двойного питания Общая оценка электроприводов с машинами двойного питания

Машина двойного питания (МДП) – это асинхронный электродвигатель с фазным ротором, у которого статорные и роторные цепи подключены к источникам питания трехфазным напряжением. При этом регулируемыми по частоте могут быть один или оба источника питания.

Благодаря двухпоточности и возможности направить каждый из энергетических потоков (по цепи статора и по цепи ротора) в любом направлении этот электропривод получает ряд дополнительных привлекательных возможностей [11]:

– сделав один из каналов передачи энергии нерегулируемым (подключив обмотку статора или ротора напрямую к сети), можно существенно снизить установленную мощность регулируемых преобразователей частоты, если угловую скорость электропривода регулировать вверх и вниз от синхронной. Здесь наибольшая выгода достигается, когда рабочий механизм требует нереверсивного электропривода с ограниченным диапазоном регулирования скорости;

– регулируя величину тока в обмотке электродвигателя, подключенной к преобразователю, удается в цепи другой обмотки, подключенной напрямую к питающей сети, иметь любой коэффициент мощности, включая опережающий. Электропривод с машиной двойного питания – единственный из вентильных электроприводов переменного и постоянного тока, который может работать источником реактивной энергии. Правда, здесь нужно учитывать дополнительные затраты на более мощный регулируемый преобразователь, которые могут оказаться значительными из-за относительно больших (по сравнению с трансформаторами) значений индуктивностей рассеяния фазных цепей двигателя;

– повышенная надежность электропривода. При выходе из строя преобразователя частоты возможна работа электропривода в нерегулируемом по скорости режиме, если это допустимо по условиям технологического процесса;

– высокий КПД электропривода, так как преобразованию подвергается лишь часть потребляемой им энергии.

К сожалению, в настоящее время электроприводы с машинами двойного питания еще не получили такого распространения, какого они заслуживают по своим техническим возможностям.

Функциональная схема электропривода

Рассмотрим электропривод с частотнотоковым регулированием электромагнитного момента двигателя (рис. 5.26). Здесь обмотки ротора асинхронного двигателя МА напрямую (или через согласующий трансформатор) подключены к питающей сети. Обмотки же статора подсоединяются к выходным зажимам трех реверсивных тиристорных преобразователей UZA, UZB и UZC, работающих в режиме источников тока и образующих трехфазный HПЧ – преобразователь частоты с непосредственной связью. Режим источника тока, как и в схеме синхронного электропривода с частотнотоковым управлением (см. рис. 5.5), достигается охватом тиристорного преобразователя каждой фазы отрицательной обратной связью по току фазы.

Управление HПЧ производится от узла формирования фазных токов статора асинхронного двигателя, который содержит модулятор М UV2, блоки произведения БП1, БП2 и БП3, трехфазный трансформатор ТV, подключенный к зажимам той же сети, что и обмотки ротора двигателя, дифференциальный сельсин 2С ВЕ, вал которого через редуктор с целым передаточным числом, равным отношению чисел пар полюсов асинхронного двигателя и сельсина 2С, связан с валом двигателя МА, три демодулятора ДМА, ДМВ и ДМС (UVA, UVB, UVC), выходные напряже- ния которых являются выходными сигналами узла формирования фазных токов.

 Сопоставьте рассматриваемый узел формирования фазных токов с аналогичным узлом в схеме синхронного частотнотокового электропривода (рис. 5.4). Обратите внимание на новые элементы и дополнительные функции, ими реализуемые.

Работа узла формирования фазных токов происходит следующим образом. При подаче постоянного напряжения U_РС на вход модулятора М (рис. 5.26) на выходе его появляется переменное высокочастотное (обычно с частотой 0,4...2,5 кГц) напряжение, амплитуда которого соответствует величине U_РС, а фазовый сдвиг относительно опорного коммутирующего напряжения зависит от знака U_РС. Выходное напряжение модулятора М подается на первые входы трех блоков произведения БП1...БП3, а на три вторых входа этих блоков подано трехфазное напряжение с вторичных обмоток трансформатора TV, обмотки первичной стороны которого подключены к той же сети, что и роторные цепи МА. Поэтому на статорные обмотки первого сельсина 1С с выходов блоков произведения подаются три высокочастотных (частоты коммутирующего напряжения) напряжения, амплитудные значения которых модулированы (ограничены) выходными напряжениями трансформатора TV. В итоге токами трех статорных обмоток 1С создается результирующая высокочастотная магнитодвижущая сила, ось которой поворачивается в зазоре 1С с частотой сети, питающей трансформатор TV и ротор MA. Амплитуда этой МДС (при неизменном напряжении сети Uс) пропорциональна величине U_РС.

Система трех однофазных высокочастотных токов, протекающих по роторным обмоткам 1С и 2С и вызванных ЭДС, наведенными в обмотках ротора 1С, приводит к появлению в сельсине 2С высокочастотной МДС, ось которой поворачивается вдоль окружности ротора 2С с частотой сети Uc. Вдоль же окружности расточки статора ось той же самой МДС поворачивается с другой угловой скоростью, отличающейся на величину угловой скорости вращения ротора 2С.

Если вал МА, а следовательно, и 2С неподвижен, то на выходах трех демодуляторов ДМА, ДМВ и ДМС появляется система трехфазных симметричных напряжений частоты сети, питающей ротор МА. В том случае, когда вал МА (и 2С) вращается, частота напряжений на выходах демодуляторов изменяется на величину, соответствующую угловой скорости вращения ротора 2С.

Все описанные выше узлы входят в подсистему косвенного регулирования электромагнитного момента МА. В исходном состоянии электропривода считаем, что активный момент статической нагрузки на его валу отсутствует, а U_РС = 0. Когда обмотка ротора МА окажется подключенной к питающей сети, то протекающие по ней под действием напряжения сети токи создадут вращающееся магнитное поле, которое наведет в обмотках статора МА фазные ЭДС, однако (в идеальной системе) тока в обмотках статора протекать не будет, так как условие U_РС = 0 приводит к нулевым напряжениям на выходе демодуляторов и, следовательно, к нулевым уставкам на входах источников тока UZA, UZB, UZC. В результате эти источники тока будут развивать ЭДС, равнопротивоположные тем ЭДС, которые наводятся в статорных обмотках МА со стороны ротора, но так, чтобы токи в фазных обмотках статора МА были равны нулю.

При подаче напряжения U_РС на вход модулятора М на выходах демодуляторов появится (при неподвижном роторе МА) трехфазная система симметричных напряжений задания, которая вызовет в источниках тока и статорных обмотках МА протекание соответствующих токов. Результирующая волна МДС, создаваемой токами статора, будет вращаться вдоль окружности расточки статора с той же угловой частотой, что и МДС от токов ротора. Пространственный же угол сдвига этих МДС в зазоре МА будет определяться начальным углом установки заторможенного ротора 1С. Взаимодействие токов обмоток ротора и статора в МА создаст вращающий момент МА. Когда же ротор МА придет в движение, то на такой же угол будет поворачиваться и ротор 2С, В итоге взаимный пространственный угол сдвига между осями МДС обмоток ротора и статора, выставленный при покое МА, останется в точности таким же и при движении, т.е. электропривод будет работать как источник момента, по величине соответствующего сигналу U_РС.

Электропривод выполнен по типовой схеме подчиненного регулирования с внешним контуром регулирования скорости. Здесь сигнал U_РС задания момента двигателя получают на выходе регулятора скорости РС AR, на входе которого алгебраически суммируются сигнал задания скорости U_З и сигнал отрицательной обратной связи по скорости, снимаемый с выхода датчика скорости ДС UV1. Блок ограничения БО A1, который определяет уровень насыщения в статической характеристике регулятора РС, позволяет получить на механической характеристике электропривода участок ограничения момента.