3.8.4. Управление механической характеристикой путем включения противо-э.Д.С. В цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором.

Схема такого управления приведена на рисунке 3.27. Изменяя величину Е₀, можно изменить механическую характеристику асинхронного двигателя.

Схема работает следующим образом. Напряжение, снимаемое с колец ротора, выпрямляется диодным мостом и подается через R_ДОБ на источник э.д.с. Е₀, который включен навстречу напряжению диодного моста VD. Ток, протекающий в цепи Е₀ может иметь направление только навстречу направлению э.д.с. То есть э.д.с. потребляет энергию из цепи. Если обозначить Ed₀ – напряжение на выходе диодного моста при s = 1, то при изменении скорости двигателя напряжение на выходе диодного моста при непрерывном токе Id

, (3.50)

где Е₂ – напряжение на кольцах при заторможенном роторе; m – число фаз выпрямителя.

Если то Id > 0

(3.51)

где U – падение напряжения на вентилях; коэффициент 2 учитывает мостовую схему; R_Э – эквивалентное сопротивление цепи ротора.

m – число фаз ротора; Х_Д – индуктивное сопротивление двигателя

Х₁ – приведенное к ротору сопротивление статора; R_Д – активное сопротивление двигателя

R₁ – приведенное к ротору активное сопротивление статора.

Угловая скорость ротора при Id = 0, то есть скорость холостого хода так как I₂ пропорционально Id, может быть найдена из уравнения

,

или

(3.52)

где ₀ – синхронная угловая скорость двигателя, .

Таким образом, скорость холостого хода двигателя снижается по мере увеличения противо-э.д.с. Е₀. Пренебрегая механическими потерями, получаем, что мощность скольжения, проходящая через ротор

(3.53)

где М – электромагнитный момент двигателя.

Откуда

(3.54)

Подставляя значение Id из (3.51) в (3.54) пренебрегая U после преобразований получим

(3.55)

На рабочей части характеристики s мало отличается от s₀, поэтому значение и

(3.56)

Критическое скольжение соответствует равенству . Откуда

(3.57)

Максимальный момент в этом случае

.

Очевидно М_m меньше М_m для короткозамкнутого ротора.

Так как ток Id может быть только одного знака, то двигатель в генераторном режиме работать не может следовательно рабочая область ограничивается с левой стороны области механических характеристик осью , а с правой – прямой параллельной оси  и проходящей через точку М = М_m. На рисунке 3.28 показано

семейство характеристик  = f(M) при изменении Е₀ и допустимая область работы при рассматриваемом способе регулирования момента.

3.8.5. Управление моментом асинхронного двигателя по схеме двойного питания.

Присоединяя статор к сети переменного тока с частотой f, а на ротор, подавая напряжение от трехфазного источника регулируемой частоты и напряжения, можно плавно управлять моментом асинхронного двигателя с фазным ротором. Схема замещения в этом случае имеет вид, показанный на рисунке 3.29.

На основании схемы замещения получим систему уравнений

(3.58)

где Х₁₀ = Х₁ + Х₀, Х₂₀ = Х₂ + Х₀;  – угол сдвига между напряжением U₁ и приведенным к цепи статора напряжением . Если пренебречь потерями встали, то для электромагнитного момента можно записать формулу

(3.60)

где ; Х_К = X₁ +X₂.

Момент, развиваемый МДП, состоит из трех составляющих: первая — синхронный момент при питании со стороны статора напряжением U₁ и замкнутой накоротко вторичной обмотке; вторая – при питании со стороны ротора напряжением U₂ и замкнутой накоротко первичной цепи; третья – синхронизирующий момент, обусловленный возбуждением со стороны ротора и зависящий от напряжения и его фазы.

Выведенное соотношение для момента в установившемся режиме дано в общем виде независимо от способа управления машиной. Установившийся режим любой электрической машины переменного тока определяется соотношением

, (3.61)

где f₁, f₂ – соответственно частоты напряжений, подводимых к обмоткам статора и ротора;

,

где р – число пар полюсов,  – угловая скорость ротора.

Указанное условие может быть выполнено, например, при неизменной частоте питающей сети, либо когда f₂ является независимой переменной, a f_BP – ее функция, либо когда f_BP – независимая переменная, a f₂ – ее функция. Первый случай – f₂ – независимая переменная, а f₂ – ее функция:

(3.62)

т. е. угловая скорость ротора будет изменяться в том случае, если управление производится изменением частоты напряжения, приложенного к обмоткам ротора, но эта частота не изменяется при изменении нагрузки. Такой режим работы МДП называется синхронным. В частном случае, когда f₂ = 0 что означает питание роторной обмотки постоянным током, машина работает в установившемся режиме с синхронной угловой скоростью как обычная синхронная машина.

Если f₂ = const то s = const, тогда момент двигателя из (3.60) зависит только от третьей составляющей синхронизирующего момента, который можно изменять, изменяя угол  между и . Таким образом при ₂ = const момент можно устанавливать в интервале– М_МАХ < М < М_МАХ, где

(3.63)

где – напряжение преобразователя, соответствующее наибольшей величине М_МАХ.

Схема включения МДП, работающей в синхронном режиме, соответствует рисунку 3.30. На рисунке 3.30а приняты следующие обозначения: ПЧ — преобразователь. На вход преобразователя подают трехфазное напряжение U₁ с частотой f₁, а на выходе получают трехфазное напряжение U₂, амплитуду и частоту f₂ которого можно изменять в широких пределах. Для снижения угловой скорости МДП необходимо увеличить частоту f₂ и поворотом вектора  в соответствующем направлении обеспечить отрицательный электромагнитный момент, что приведет к замедлению электропривода. Снижение угловой скорости будет происходить до тех пор, пока не наступит установившийся режим, при котором возникнет равновесие между моментом МДП и моментом нагрузки при заданном значении частоты f₂. Для увеличения угловой скорости привода надо уменьшить частоту f₂ и установить соответствующие значения модуля и направление вектора , при этом увеличится ток в роторной цепи МДП, возрастет электромагнитный момент, привод начнет ускоряться до угловой скорости, при которой наступит установившийся режим.

За счет легко осуществляемого посредством преобразователя частоты изменения чередования фаз напряжения, вводимого в цепь ротора, можно заставить машину работать с угловой скоростью выше синхронной. Так как МДП в рассматриваемом режиме работает как синхронная машина, то угловая скорость ее не зависит от нагрузки, а развиваемый ею момент определится при заданных U₂, f₂ и углом сдвига между ними . Если МДП работает при подсинхронной угловой скорости (f₂ > 0) в двигательном режиме, когда мощность, развиваемая машиной, отдается на вал (рис. 3.31а), то она потребляет из сети мощность, равную сумме:

Р₁ = Р₂ + Р_S (3.64)

где Р_S – мощность скольжения.

В роторе генерируется мощность скольжения Р_S и через преобразователь за вычетом потерь возвращается в сеть.

Изменяя фазу вводимого в ротор напряжения, но, не меняя частоты, можно при соответствующей нагрузке заставить работать МДП в генераторном режиме (рис. 3.31б). В этом случае при f₁ > f₂ без учета потерь мощность, отдаваемая в сеть, складывается из мощности, поступающей с вала и со стороны ротора, т. е.

Р₁ = – Р₂ – Р_S (3.65)

Механические характеристики МДП показаны для рассматриваемой области угловых скоростей и режимов на рис. 3.31в.

Обмотки МДП могут быть так включены, что поля статора и ротора будут вращаться встречно (f₂ < 0); тогда угловая скорость двигателя

(3.66)

При сверхсинхронной угловой скорости МДП и работе в двигательном режиме машина потребляет мощность и со стороны статора и со стороны ротора, отдавая ее на вал (рис. 3.32а). Эта мощность равна:

Р₂ = Р₁ +Р_S (3.67)

В генераторном режиме мощность с вала передается в сеть и статорной и роторной цепями (рис. 3.32б), а соотношение этих мощностей определяется равенством (3.67).

Механические характеристики МДП показаны для рассматриваемой области угловых скоростей и режимов на рис. 3.23б. Как видно из рис. 3.31 и рис. 3.32, для обеспечения всех режимов работы МДП при угловых скоростях выше и ниже синхронной преобразователь частоты должен обладать двусторонней проводимостью и обеспечивать бесконтактное изменение чередования фаз.

В установившемся процессе и синхронном режиме работы МДП скольжение сохраняется неизменным, поэтому ее устойчивость определяется характером изменения угла .

Второй случай – f_ВР – независимая переменная, a f₂ – ее функция:

f₂ = f₁ – f_KP

Здесь при изменении частоты ротора, например, вследствие изменения нагрузки должна соответственно изменяться частота напряжения, приложенного к обмоткам ротора. Этому отвечает асинхронный режим работы МДП. Так как s в этом случае величина переменная, то в рабочем диапазоне s согласно (3.60) момент не остается величиной постоянной. Но за счет изменения  и U₂ можно получить линейный закон изменения M = f(s).

Механические характеристики МДП для асинхронного режима приведены на рис. 3.33, где .

Допустимая нагрузка МДП в установившемся продолжительном режиме определяется номинальными токами в роторной и статорной цепях (постоянство момента М_ДОП = М_НОМ) если пренебречь ухудшением условий охлаждения при изменении угловой скорости вниз от синхронной. Регулирование вверх от синхронной обеспечивает некоторое улучшение условий охлаждения, поэтому допустимые токи в обмотках машины могут несколько превосходить номинальные значения.

Допустимую нагрузку нельзя оценивать только по статорному току, проверка должна быть произведена и по роторному току, так как область допустимых первичных токов не совпадает с областью допустимых вторичных токов. Следует заметить, что при значениях скольжения, превышающих номинальные, для двигательного и генераторного режимов имеют место ограничения по амплитуде и фазе вторичного напряжения.

В МДП может осуществляться независимое изменение вторичного напряжения и его фазы, поэтому возможно поддерживать высокий коэффициент мощности. Этим в годно отличается привод с МДП от вентильных каскадов. Реактивная мощность первичной цепи

(3.68)

Если раскрыть уравнение (3.68), то можно увидеть что оно состоит из двух членов. Первый член со знаком минус пропорционален квадрату первичного напряженнее он представляет собой выражение отстающей реактивной мощности обычной асинхронной машины, не возбуждаемой со стороны ротора; второй член со знаком плюс – опережающая реактивная мощность, поставляемая со стороны ротора и зависящая от вторичного напряжения и его фазы, регулируя которую можно влиять на реактивную мощность, потребляемую со стороны статора, а, следовательно, и на коэффициент мощности МДП. В частности возможна полная компенсация реактивной мощности первичной цепи (cos = 1), когда машина возбуждается только со стороны ротора. Очевидно, что этому условий соответствует равенство первого и второго членов выражения (3.68). Однако не при любом значении вторичного напряжения cos = 1. Расчеты показывают, что в практически используемой области характеристик при изменении момента нагрузки от номинального в двигательном режиме до номинального в генераторное МДП может работать с cos = 1. Если cos= 1 при номинальном моменте, то при меньших нагрузках cos окажется опережающим.

Для определения результирующего коэффициента мощности электропривода необходимо учесть коэффициент мощности вторичной цепи.

При ограниченном диапазоне регулирования частот скольжения для создания одного и того же магнитного потока со стороны ротора потребуется значительно меньшая реактивная мощность, чем при питании со стороны статора, поэтому результирующий коэффициент мощности МДП может быть получен более высокий, чем у обычного асинхронного двигателя. С уменьшением угловой скорости cos понижается. Так как роторная цепь МДП питается от преобразователя частоты, то для оценки cos необходимо определить активную и реактивную мощности на его входе.

В заключение необходимо отметить, что благодаря своим преимуществам каскады с использованием МДП могут найти более широкое применение в установках, мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких мегаватт, требующих плавного и экономичного регулирования угловой скорости, а также для получения высокого быстродействия. При этом исполнение МДП в зависимости от условий окружающей среды возможно в контактном варианте на базе обычного асинхронного двигателя с фазным ротором и в бесконтактном варианте, например в виде двух сидящих на одном валу обычных машин с фазным ротором, роторные обмотки которых электрически соединены (без контактных колец и щеток) так, чтобы их магнитные поля вращались в противоположные стороны. В последнем случае статор первой машины присоединяется к питающей сети с неизменным напряжением и частотой, а статор другой – к преобразователю частоты

Перспективной оказывается и специальная бесконтактная МДП, выполненная с двумя совмещенными обмотками на общем статоре и со специальным короткозамкнутым ротором. Регулируемый привод с МДП может быть использован в установках с автономным питанием, где в качестве генератора применяется синхронная машина. Применение практически без инерционного преобразователя частоты, в роторной цепи МДП дает возможность реализовать все ее положительные свойства в системе автоматического управления, обеспечивающей благоприятные статические характеристики и высокие динамические качества электропривода.