книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

теля, что особенно существенно при больших мощностях электрических машин.

Действительно, пусть требуемый диапазон регулирова­ ния скорости равен двум. Если применить однозонное регулирование скорости, то согласно (7-9) номинальная мощность преобразователя

■ ^ n p .H i = Р 1 2 н ® м акс ^ 0 , 5 Р 1 2 в -

Если использовать двухзонное регулирование, то верх­ нюю скорость следует взять равной 4со0/3, а нижнюю 2со0/3* В этом случае диапазон регулирования также равен двум, но | sMaKC | = 1/3.

Тогда

•^пр.нз= Р ц п |5макс | ^ 0,ЗЗР12д.

Применение двухзонного регулирования скорости для данного конкретного примера позволяет на 33% снизить мощность преобразователя.

Однако следует отметить, что каскады с двухзонным регулированпем скорости более сложны и дороги, чем однозонные при одинаковом максимальном скольжении. Окончательный выбор той илп иной схемы каскадной установки для конкретного электропривода определяется при технпко-экономическом сравнении вариантов.

7-2. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ КАСКАДЫ

Одним из возможных варпантов исполнения каскадных установок являются электромашинные каскады. В этих установках в роторную цепь главного асинхронного двигателя вводится переменная э. д. с. частоты скольже­ ния по схеме, приведенной на рис. 7-3, б. Источником э. д. с. скольжения обычно является машина переменного тока, которая в общем случае может быть соединена с дру­ гими электрическими машинами. Однако все эти схемы сводятся к эквивалентной схеме на рис. 7-3,6.

В общем случае в роторную цепь А Д вводится добавоч­ ная э. д. с. 7?Доб) сдвинутая на определенный угол а

относительно э. д. с. ротора Ё2, как показано на рис. 7-6, а. Ток роторной цепи главного асинхронного двигателя

определяется результирующей э'. д. с. Ёрез, равной векторной сумме Ег и Ел0б, и параметрами роторной

340

Рпс. 7-6. Векторная диаграмма (а), схема замещения (б) и механи­ ческие характеристики (в) асинхронного двигателя, работающего в каскадной схеме рпс. 7-3, б.

обмотки. Изменение величин Ёяо0 и угла а приводит к изменению тока и скорости ротора.

Для упрощения анализа пренебрежем влиянием паде­ ния напряжения на обмотках статора. Тогда схема заме­ щения будет иметь вид, представленный на рис. 7-6, б. Согласно этой схеме ток в цепи ротора

7?2+ 7?доб

активной составляющей тока ротора после преобразова­ ний можно привести к виду

= Д |Т Й )5 (1 + ^ COS а + ^ sin а )

или

ha = /*ан. сх (1 + 7 COS а + -g sin a j .

341

Сопоставление полученного выражения с (3-10) дает основание найти выражение для момента А Д аналогично тому, как это сделано при выводе (3-11), а именно:

где

2Л/,;

м н.СХ — s/'sK~{~sk/s

Регулирование скорости в рассматриваемых каскадных установках в общем случае осуществляется изменением величины и фазы вектора добавочной э. д. с. ротора. Допустим, что в пределах одной механической характери­ стики а = const. Выражение момента согласно (7-12) состоит из трех составляющих, из которых первая соот­ ветствует моменту двигателя в естественной схеме вклю­ чения, вторая определяется скольжением и углом а, а третья зависит только от угла а.

На рис. 7-6, в представлены естественная характери­ стика двигателя и две искусственные характеристики, соответствующие sK= 0,3; s0 = 0,3 и двум значениям угла а, равным 135 и 180°. Из этих характеристик видно, что величины критического момента, критического сколь­ жения п скорость идеального холостого хода искусствен­ ных характеристик при данных значениях параметров обмоток двигателя определяются углом а.

Ранее было показано, что при включении в роторную цепь асинхронного двигателя преобразователя активной мощности величина критического момента на регулиро­ вочных характеристиках остается постоянной. При по­ стоянном значении угла а в пределах одной механической характеристики преобразователь энергии в роторной цепи двигателя не является преобразователем активной энер­ гии, так как при изменении скольжения фаза тока ротора изменяется. Поэтому понятно, что регулировочные характёристики в этом случае (а = const) имеют разные значе­ ния критических моментов, что соответствует характери­ стикам, приведенным на рис. 7-6, в.

Из изложенного ясно, что для получения одинаковых критических моментов на регулировочных характеристи­ ках, т. е. для получения постоянной перегрузочной спо­ собности двигателя, необходимо при изменении скольже­ ния менять значение угла сс. Представляет интерес опре­ делить такой закон изменения угла а в функции скольже­

342

ния и параметров асинхронного двигателя, который соот­ ветствует наличию преобразователя активной мощности в его роторной цепи.

Как было отмечено выше, входное сопротивление пре­ образователя активной мощности является чисто актив­ ным. В этом случае векторы добавочной э. д. с. и тока

Рис. 7-7. Векторная диаграмма (а), механические характеристики и зависимости со (а) (б) асинхрон­

ротора совпадают по направлению. Векторная диаграмма, соответствующая этому случаю, приведена на рис. 7-7, а.

Аргумент вектора тока / 2 может быть определен из

(7-11)

Аргумент вектора добавочной э. д. с. равен а. Приравнивая между собой аргументы векторов доба­

вочной э. д. с. и тока -ротора, получаем:

343

Преобразуя это уравнение, находим:

Уравнение (7-13) имеет два решения, из которых нужно выбрать одно, определяющее режим идеального холостого хода А Д при s — s0. При идеальном холостом ходе, когда / 2 = 0, выполняется равенство

откуда видно, что угол а должен равняться л. Из приве­ денных соображений следует, что искомое решение должно удовлетворять условию: а — л при s = s0. Учитывая это условие, из (7-13) получаем:

Итак, если при изменении скольжения угол а регули­ руется по закону (7-14), то преобразователь энергии в ро­ торной цепи асинхронного двигателя представляет собой преобразователь активной энергии.

На рис. 7-7, 6 сплошными линиями показаны механи­ ческие характеристики, рассчитанные с помощью выра­ жений (7-12) и (7-14) при sK= 0,3 для пескольких значе­ ний s0. Как и следовало ожидать, критические моменты на регулировочных характеристиках одинаковы, однако кри­ тические скольжения изменяются в зависимости от вели­ чины s0.

Там же пунктирными линиями изображены зависи­ мости со (а), построенные по выражениям (7-14). Эти кривые показывают, что для получения преобразователя активной энергии угол сдвига между векторами добавоч­ ной э. д. с. и напряжения сети следует изменять от a = л при скорости идеального холостого хода и далее умень­ шать при уменьшении угловой скорости.

Приведенные рассуждения применимы для всех схем электромашинных каскадов, которые могут быть приве­ дены к эквивалентной схеме, представленной на рис. 7-3, б. Рассмотрим некоторые конкретные каскадные схемы, полу­ чившие применение на практике.

344

На рис. 7-8, а и 6 приведены схемы электрического и электромеханического машинных каскадов с одноякорным преобразователем ОП. Энергия скольжения передается от ротора асинхронного двигателя А Д на кольца ОП и преобразуется последним в энергию постоянного тока. Далее постоянный ток от щеток коллектора ОП поступает к машине постоянного тока МП, которая преобразует электрическую энергию в механическую. В электрическом каскаде согласно схеме рис. 7-8, а эта механическая энергия используется для привода синхронного генератора

Рлс. 7-8. Схемы электромашпнных каскадов с одно­ якорным преобразователем.

а — электрический каскад; б — электромеханический.

СГ, а в электромеханическом каскаде по схеме на рис. 7-8, б она возвращается на вал АД, поскольку машины А Д и МП жестко соединены общим валом.

Регулирование скорости главного асинхронного дви­ гателя в схемах рассматриваемых каскадов производится изменением величины э. д. с. на кольцах одноякорного преобразователя, которая прямо пропорциональна э. д. с. на его щетках, а величина последней с учетом падения напряжения в якорной цепи ОП — М П равна .э. д. с. машины постоянного тока МП. Следовательно, добавоч­ ная э. д. с. частоты скольжения (т. е. э. д. с. на кольцах ОП) определяется значением э. д. с. МП, которая в свою очередь зависит от тока возбуждения МП. Если ток воз­ буждения М П равен нулю, то ее э. д. с. также равна нулю; поэтому э. д. с. на кольцах ОП также равна нулю, а равенство нулю добавочной э. д. с. в цепи ротора А Д приводит к тому, что последний работает на механической характеристике, близкой к естественной. При увеличении

345

тока возбуждения М П добавочная э. д. с. возрастает, что приводит к уменьшению скорости АД. Когда ток возбу­ ждения М П равен номинальному значению, А Д работает на механической характеристике, соответствующей низшей скорости в зоне регулирования каскада.

Изменение величины тока возбуждения одноякорного преобразователя приводит к изменению фазы э. д. с. на кольцах ОП, как для обычной синхронной машины, поскольку ОП со стороны колец представляет собой син­ хронную машину. Таким образом, изменение тока воз­ буждения М П позволяет регулировать скорость АД, а изменением тока возбуждения ОП возможно регулиро­ вать коэффициент мощности каскадной установки.

Механические характеристики электрического и элек­ тромеханического каскадов с одноякорным преобразова­ телем аналогичны приведенным на рис. 7-4, в и 7-5, если при регулировании скорости так подбирать токи в обмот­ ках возбуждения ОП и МП, чтобы одноякориый преобра­ зователь представлял собой преобразователь активной энергии. Верхние характеристики из приведенных на рис. 7-4, в и 7-5 соответствуют току возбуждения ма­ шины постоянного тока, равному нулю, а нижние ха­ рактеристики соответствуют номинальному току возбужде­ ния МП.

Пуск электрического каскада производится в следую­ щей последовательности. Вначале производится реостат­ ный пуск А Д (пусковые реостаты на рис. 7-8, а не пока­ заны), затем его ротор подключается к кольцам ОП, и происходит прямой пуск последнего с помощью его дем­ пферной обмотки, выполненной в виде беличьей клетки. Далее осуществляется асинхронный пуск машины СГ. Изменением токов возбуждения ОП и МП согласовывают полярность и значения напряжений на их якорях, после чего якорная цепь ОП — М П замыкается. Регулирова­ нием тока возбуждения М П можно изменить далее ско­ рость АД.

В схеме электромеханического каскада рис 7-8, б также предусмотрен реостатный пуск А Д при разомкнутой якорной цепи ОП — М П и отключенном от ротора А Д преобразователе ОП. Далее ротор А Д отключается от пу­ сковых реостатов и подключается к кольцам ОП. Послед­ ний пускается с помощью своей демпферной клетки. После согласования напряжений на якорях ОП в. МП замыка­ ется их якорная цепь.

346

Диапазон регулирования скорости каскадов с одно­ якорным преобразователем практически не превышает 2 : 1 . Недостатком каскадных схем с одноякорным пре­ образователем является ненадежная работа одпоякорного преобразователя при высокой скорости АД, близкой к его синхронной скорости. В этом случае напряжение на кольцах АД, подаваемое на ОП, становится небольшим, и ОП подобно синхронному двигателю может выпасть из синхронизма. Поэтому практически верхний предел ско­ рости привода не превышает 0,9—0,92 синхронной ско­ рости АД.

Каскады с одноякор­ ным преобразователем

вСССР не получили ши­ рокого распространения

всвязи с тем, что одно­ якорные преобразовате­ ли на большую мощность у нас в стране не вы­ пускаются.

Для привода круп­

ных вентиляторных ус­ Рис. 7-9. Схема асипхронно-еинхрон-

ческий асинхронно-синхронный каскад, схема которого приведена на рис. 7-9. Асинхронно-синхронный каскад

скорости главного асинхронного двигателя производится изменением частоты /2, которая меняется в соответ­

шин МП1 и МП2.

Механические характеристики асинхронно-синхронного каскада аналогичны характеристикам электрического кас­ када с одноякорным преобразователем и подобны приве­ денным на рис. 7-4, в.

Пуск асинхронно-синхронного каскада возможен со стороны агрегата постоянной скорости. После включения СМ2 возбуждают МП1, а затем, увеличивая поток МП2, приводят во вращение машины агрегата переменной

347

скорости. Отрегулировав скорость СМ1 таким образом, чтобы на зажимах статора асинхронного двигателя, ротор которого неподвижен, частота и напряжение были близки к соответствующим параметрам сети, можно осуществить включение А Д в сеть без значительных толчков тока.

Диапазон регулирования асинхронно-синхронного ка­ скада достигает величины (8 -к 10) : 1. Применение этого каскада, несмотря на сложность, позволяет получить высокие энергетические показатели от системы электро­ привода. Это определяется прежде всего рекуперацией значительной части энергии скольжения в сеть и, кроме того, выработкой машинами СМ1 и СМ2 реактивной мощности, что позволяет использовать установку как компенсирующую. Как и в каскадах с одноякорным пре­ образователем, при небольших скольжениях А Д э. д. с, его ротора мала, поэтому синхронная машина СМ1 может выпасть из синхронизма, что ограничивает из-за условия устойчивой работы каскада верхнюю скорость А Д зна­ чением 0,9—0,95 синхронной скорости.

7-3. ВЕНТИЛЬНО-МАШИННЫЕ КАСКАДЫ

В настоящее время в связи с широким внедрением в промышленность силовой электроники вращающиеся электромашпнные преобразователи энергии повсеместно заменяются на статические полупроводниковые преобра­ зователи. На рис. 7-10, а и б приведены схемы соответст­ венно электрического и электромеханического вентильномашппных каскадов. Схемы этих каскадов отличаются от рассмотренных выше машинных каскадов только тем, что вращающийся преобразователь (одноякорный пре­ образователь в схеме на рис. 7-8 или агрегат переменной скорости в схеме на рис. 7-9) заменен на статический преобразователь, представляющий собой трехфазный мо­ стовой выпрямитель.

В каскадных схемах на рис. 7-10, а и б энергия сколь­ жения переменного тока частоты скольжения с помощью мостового выпрямителя преобразуется в энергию постоян­ ного тока, которая поступает на машину постоянного тока, где преобразуется в механическую энергию. В элек­ трическом каскаде по схеме рис. 7-10, а последняя пре­ образуется синхронным генератором СГ в энергию пере­ менного тока постоянной частоты и отдается в питающую сеть. В электромеханическом каскаде по схеме рис. 7-10, б

348

механическая энергия возвращается на вал главного асинхронного' двигателя АД, поскольку А Д и М П сое­ динены общим валом. В цепь выпрямленного роторного тока включен реактор Р для сглаживания пульсаций тока высших гармонических составляющих.

Рассматриваемые каскадные установки содержат вен­ тильный преобразователь (вентильный мост В) и машин­ ный преобразователь (машина МП) и потому часто назы­ ваются вентильно-машинными. Они могут быть представ­ лены рассмотренной ранее эквивалентной схемой, изобра­ женной на рис. 7-3, в. Добавочная э. д. с., вносимая в цепь

Рис. 7-10. Схемы вентильно-машинных электрического (а) и элек­ тромеханического (б) каскадов.

выпрямленного роторного тока, представляет собой э. д.'с. машины постоянного тока М П и определяется выражением Еми = кФ(£>, где Ф и со — поток и угловая скорость МП. Выпрямленный ток цепи ротора, пропорциональный фаз­ ному току АД, определяется выражением

где Е2 — действующее значение линейной э. д. с. ротора

цепи, приведенное к цепи выпрямленного тока. Машина постоянного тока представляет собой преобра­ зователь активной энергии. Поэтому при разных величи­ нах тока возбуждения М П регулировочные механические

349