книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

= Mcos. Суммарная механическая мощность на валу каскада Рв = Рм.а.д + Л ш .в.д со + Mco0s = М со0 = = Р 12, т. е. в этом случае механическая мощность на валу каскада примерно равна электромагнитной мощности, передаваемой со статора на ротор асинхронного двигателя.

Из схемы рис. 7-2, а видно, что элементы преобразова­ теля соединены с А Д как электрическим (вход Пр — кольца АД), так и мехаппческнм путем (вал ротора БД — вал ротора АД). Поэтому такие каскады называются электромеханическими. Приведенная на. рис. 7-2, б

Рис. 7-2. Прппцпппальная схема (6 ) и энергетическая

диаграмма (б) электромеханического каскада.

энергетическая диаграмма характеризует последователь­ ность преобразования энергии электромеханического ка­ скада.

Естественно, в качестве А Д может быть использован только асипхроппый двигатель с фазным ротором, который называется главным приводным двигателем. Момент на валу электрического каскада равен моменту только АД, а момент на валу электромеханического каскада равен сумме моментов А Д и БД.

В качестве преобразователя Пр в каскадпых установ­ ках могут использоваться: одноякорный преобразователь, синхронная машина, коллекторная машина переменного тока или вентильный (статический) преобразователь.

При рассмотрении каскадных установок представляют интерес следующие общие вопросы: регулирование ско­ рости и механические характеристики электропривода, а также определение габаритной мощности элементов преобразователя.

330

Иа рис. 7-3 представлены три схемы включения асин­ хронного двнгателя: в первой из них в цепь роторных обмоток включены добавочпые активные сопротивления

к зажимам трехфазного моста, выпрямляющего э. д. с. ротора. Изменение R2n, Е~, Е- позволяет изменять токи

вобмотках, а тем самым момент и скорость АД. Очевидно, можно подобрать такие значения R2n, R~, Е~, чтобы токи

вобмотках, а зпачит,

работы. Практически в качестве источников э. д. с. Е~ или Е- могут использоваться электрические машины

образуют ее в механическую, а последняя может быть снова преобразована в электрическую энергию по­ стоянной частоты и отдаваться в сеть переменного тока (рис. 7-1, а) либо отдаваться на вал главного двигателя

(рис. 7-2, а).

Из приведенных рассуждений следует два простых, но важных вывода: во-первых, каскадные схемы позволяют использовать энергию скольжения, а во-вторых, измене­ нием добавочной э. д. с., вводимой в цепь ротора АД, можно регулировать угловую скорость двигателя.

331

Рассмотрим процесс регулирования угловой скорости асинхронного двигателя введением источника э. д. с. в его роторную цепь. Положим, что А Д работает в двигательном режиме, потребляя электрическую энергию из питающей сети переменного тока и отдавая энергию скольжения в роторную цепь. Пусть к валу электродвигателя приложен статический момент М с, пе зависящий от скорости. Если добавочная э. д. с. в роторной цепи Eroq — 0, то ток ротора определяется только э. д. с. роторной обмотки и ее пара­ метрами. При введении в цепь ротора Едоо часть энергии скольжения потребляется источником э. д. с., а коли­ чество электрической энергии, выделяемой непосредст­ венно в обмотке ротора, уменьшается. Это приводит к уменьшению тока ротора согласно выражению

Ей —/?доб

(7-1)

Z2

Уменьшение тока ротора определяет уменьшение элек­ тромагнитного момента двигателя, который становится меньше статического момента нагрузки, и двигатель начи­ нает замедляться. Но при уменьшении скорости увеличи­ вается скольжение, а значит, и э. д. с. ротора, так как Ео = E2Rs. Увеличение Е2 приводит к увеличению тока / 2 ц момента АД. Когда момент каскадной установки вновь

характеристике, близкой к естественной.

Рассмотрим вопрос о механических характеристиках асинхронного двигателя в каскадной схеме включения. Допустим, что регулирование скорости А Д производится посредством введенного в роторную цепь преобразователя активной энергии ПАЭ по схеме рис. 7-4, а. Для этого

преобразователя векторы £/вх и 12 совпадают по направ­ лению. Поэтому в схему может быть введено некоторое

332

С учетом сказанного приведенное значение тока ротора может быть определено по формуле

(7-3)

+ х1

где Е/ф — действующее значение фазного напряжения сети.

r\J

Рис. 7-4. Схема регулирования скорости асинхронного дви­ гателя с помощью преобразователя активной энергии ротор­ ной цепи (о) и механические характеристики двигателя при

7?ЭКВ = COnSt (б) П Лдцв = Var (в). ЛэкВ1 <С Т?ЭКВ2 ^ 7?ЭКВ31

7?Д0б1 ^добг-

В соответствии с (2-49) электромагнитный момент асинхронной машины может быть определен по потерям мощности ДР28Л в роторной цепи и скольжению

— ЬРзэл

ш0«

Так как

Д -f ЗЛ2 — З / j 2 (7?0 -f-Р экв))

то

(7-4)

Обозначим

R9 + Rab

333

включении в его роторную цепь преобразователя активной энергии не зависит отдельно ни от активного сопротивле­ ния ротора, ни от скольжения, а определяется перемен­ ной у, равной их отношению. Заметим, что если сопро­ тивление цепи ротора постоянно, то зависимость М (у) эквивалентна зависпмости М (s), поскольку в этом слу­ чае у и s прямо пропорциональны друг другу.

При определенном значении ув момент достигает мак­ симального значения М к (критический момент). Значе­ ние М к одинаково для всех регулировочных характери­ стик. Действительно, выражение (7-4а) и значение М в (ув) не зависят от параметров преобразователя, включенного в роторную цепь АД. Важно только, чтобы это был пре­ образователь активной энергии. Значение ув может быть определено из последнего выражения. Для этого доста­

Для заданного R BBB при известном значении ув можно найти критическое скольжение

при котором момент двигателя достигает своего макси­ мального значения.

Таким образом, при регулировании скорости асинхрон­ ного двигателя с помощью преобразователя активной энергии, включенного в роторную цепь, критический момент двигателя остается постоянным на регулировочных характеристиках. Заметим при этом, что если при изме­ нении скорости двигателя В эвв = var, то это не скажется на справедливости вывода о постоянстве критического момента, потому что в нем не использовалось условие

7?экВ= const.

Если jRBItB = const, что имеет место при обычном рео­ статном регулировании АД, то при уменьшении нагрузки

334

двигателя в пределах одной регулировочной характери­ стики падеиие напряжения / 2Т?Экв также уменьшается и при идеальном холостом ходе равно нулю. Поскольку при этом 2?д0б = / 2Т?акв = 0, то при идеальном холостом ходе и Е2 = 0, так как

А это имеет место лишь при синхронной скорости. Значит, для ряда значений Rm{B = const все регулировоч­ ные характеристики проходят через общую точку — точку синхронной скорости. Эти характеристики приведены на рис. 7-4, б и представляют собой известные реостатные характеристики АД. »

Для схем включения А Д по рис. 7-3, б, в в пределах одной регулировочной характеристики Ело^ — const, по­ этому в соответствии с (7-2) 7?экв = Едоа/12 — var. Тогда при идеальном холостом ходе, т. е. при / 2 = 0, на осно­ вании (7-1) можно записать:

— 7?дО0 = T?2KS0 — ^доб — 0 .

Отсюда скольжение, соответствующее идеальному хо­ лостому ходу при включении в цепь ротора добавочной э. д. с.,

увеличении Едос уменьшается. Если учесть, что при вклю­

ханических характеристик в этом случае, приведенный па рис. 7-4, в.

Из вышесказанного следует, что механическпе харак­ теристики, приведенные на рис. 7-4, в, характеризуют электрический каскад в том случае, когда в цепи ротора включен преобразователь активной энергии (рис. 7-4, а). Механические характеристики одного главного асинхрон­ ного двигателя в схеме электромеханического каскада при включении в ротор А Д преобразователя активной энер­ гии в общем аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 7-4, в. Однако момент всего электромеханического каскада равен (см. рис. 7-2, а):

Если ЕДОб = 0, то момент вспомогательного двигателя равен нулю. Соответствующая этому случаю верхняя характеристика из приведенных на рис. 7-5 практически совпадает с естественной характеристикой АД. При увеличении .значения Едоо энергия, подводимая к БД, увеличивается. Значит, увеличивается и мощность на валу БД, поскольку согласно схеме рис. 7-2, а электри­ ческая энергия, подводимая к БД, превращается им в механическую и возвращается на вал каскада.

Выше было показано, что критический момент асин­

том условии, что в его роторную цепь включен преобразователь только активной энергии, Если это условие преобразования энергии не выполнено, т. е. если векторы

UDX п Б (рнс. 7-4, а) не совпадают по направлению, то вывод о постоянстве критического момента перестает быть справедливым.

Отметим еще один простой, но важный факт. Для асин­ хронного двигателя понятия синхронной скорости и ско­ рости идеальпого холостого хода в общем случае не тож­ дественны. Синхронная угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля машины. Скорость хвдеальиого холостого хода соответствует работе асипхронпого двигателя без нагрузки. При этой скорости момент машины и ток в ее роторных обмотках равны пулю. В каскадных схемах включения асинхронного двигателя,

336

когда в его роторную цепь вводится дополнительная э. д. с., ток в роторе равен нулю в том случае, если допол­ нительная э. д. с. в каждый момент времени равна по величине и противоположна по знаку э. д. с. роторной обмотки. Изменение добавочной э. д. с. влечет за собой изменение скорости идеального холостого хода, поскольку э. д. с. ротора является функцией скольжения Е2 = E2Ks. В частном случае, когда Елос — 0, идеальный холостой ход имеет место при синхронной скорости, в связи с тем, что при s = 0 э. д. с. и ток в роторных обмотках равны нулю.

При рассмотрении каскадных установок важными во­ просами являются определение габаритной мощности элементов преобразователя и оценка допустимой нагрузки на регулировочных характеристиках каскада.

Рассмотрим вначале электрический каскад. Момент на валу каскада в этом случае определяется только моментом главного асинхронного двигателя. Если не учитывать ухудшения условий охлаждения при уменьшении скорости двигателя, то, очевидно, что последний будет по нагреву использоваться полностью, если токи в его обмотках будут равны номинальным значениям. Этому соответствует постоянство момента на валу двигателя на разных ско­ ростях. Так как критический момент на регулировочных характеристиках постоянен, то перегрузочная способ­ ность двигателя при регулировании также будет постоянна. Поэтому электрические каскады часто называют каска­ дами постоянного момента.

Номинальная мощность преобразователя Рпр электри­ ческого каскада должна быть достаточна для передачп энергии скольжения, которая максимальна при наиболь­ шем скольжении. Поэтому

наименьшей скорости в диапазоне регулирова-

1ния электрического каскада;

Р12н — передаваемая со статора на ротор электромаг­ нитная мощность асинхронного двигателя при работе в номинальном режиме.

Номинальное напряжение преобразователя опреде­ ляется э. д. с. ротора при максимальном скольжении, т. е. Е2кsMaKC, а поминальный ток преобразователя соот­ ветствует номинальному току ротора главного асинхрон­

337

ного двигателя. Мощность преобразователя электромеха­ нического каскада также определяется выражением (7-9).

Механические характеристики каскада, приведенные на рис. 7-5, свойственны электроприводам, регулируемым по закону постоянной мощности. При = 0 момент вспомогательного двигателя также равен нулю и механи­ ческая мощность каскада при максимальной скорости равна механической мощности АД, т. е.

Рм.амакс = 7^ад.н®мако

При минимальной скорости в заданном диапазоне регу­ лирования механическая мощность каскада определяется суммой мощностей асинхронного и вспомогательного дви­ гателей

Р м.ш м п н — Т к Г а д .ц С О ы и п М В Я Л 1 а т т .

Выше было показано, что мощность на валу электроме­ ханического каскада без учета потерь в преобразователе и роторной цепи А Д равна электромагнитной мощности последнего. Если пренебречь потерями в статоре АД, то мощность иа валу каскада равна мощности, потребляемой

греву используется полностью, если токи в его обмотках равны номинальным значениям. Пренебрегая изменением cos ср при регулировании скорости АД, получаем:

Рм = Рх= ЗС/с/ад.ц COS ф — Const,

т. е. условием полпого использования элементов электро­

Из последнего выражения видно, что при увеличении диапазона регулирования скорости номинальный момент вспомогательного двигателя может существенно превы­ шать номинальный момент главного асинхронного дви­ гателя. Поскольку габариты электрической машины опре­ деляются величиной ее номинального момента, то ясно, что при D > 2 габариты вспомогательного двигателя

338

превышают габариты асинхронного двигателя. Практи­ чески электромеханический каскад применяется при диа­ пазоне регулирования D ^ 2. В случае D = 2 габариты ВД примерно равны габаритам АД.

Номинальные значения мощности преобразователя и вспомогательного двигателя электромеханического кас­ када равны:

Р пр.н = Р бд.м = Р 1 2 н^макс*

Номинальные значения напряжений преобразователя и вспомогательного двигателя определяются, как и в электрическом каскаде, величиной Егк«макс» а номинальное значение его тока должно быть равно номинальному току ротора главного асинхронного двигателя.

Номинальная скорость вспомогательного двигателя электромеханического каскада определяется следующим образом:

Ммии

М ад. н (шо — м мин)

®МИН)

м,ад.н • |кс Юм

ШМ 1 1 Н

т. е. она примерно равна низшей скорости каскада в задан­ ной зоне регулирования, поскольку шмадс ^ ®0.

Одним из показателей регулирования скорости элек­ троприводов является направление возможного регулиро­ вания скорости вращения двигателя по отношению к есте­ ственной характеристике. Электромеханические каскады позволяют регулировать скорость асинхронной машины

вдвигательном режиме только вниз от естественной харак­ теристики, т. е. здесь возможно только однозонное регу­ лирование. Электрические каскады в принципе допускают двухзонное регулирование скорости асинхронной машины

вдвигательном режиме ее работы. В этом случае преобра­ зователь в схеме рис. 7-1, а является преобразователем частоты. При работе выше естественной характеристики преобразователь потребляет энергию постоянной частоты от питающей сети, преобразует ее в энергию переменного тока частоты скольжения, которая поступает в роторную цепь асинхронного двигателя. Применение каскадов с двух­

зонным регулированием скорости в случае D — const позволяет уменьшить мощность элементов преобразова­

339