зеленов / УЧЕБ_ПОСОБИЕ_часть_2 / редакт / 14_4 Регулирование скорости измен

14.4 Регулирование скорости асинхронных электроприводов изменением питающего напряжения

При изменении напряжения на статоре АД его механические характеристики меняются так, как это показано на рисунке 14.9 .

Критическое скольжение S_К не зависит от величины напряжения сети и остается неизменным, а максимальный момент меняется пропорционально квадрату напряжения.

Как видно из рисунка 14.9, при изменении напряжения на статоре уменьшается жесткость механических характеристик, что дает возможность регулировать скорость АД в весьма небольшом диапазоне (даже при вентиляторной нагрузке). Следует иметь в виду, что значительное снижение критического момента при уменьшении напряжения, то есть снижение перегрузочной способности АД, и малый диапазон регулирования скорости делает этот способ регулирования практически не востребованным.

Лучшие результаты регулирования скорости получаются, если использовать не короткозамкнутый АД, а двигатель с фазным ротором, в который включено активное или активно-реактивное невыключаемое сопротивление.

Механические характеристики АД в этом случае при вентиляторном характере изменения М_С показаны на рисунке 14.10.

Для изменения напряжения на статоре используется тиристорный регулятор, состоящий из двух встречно – параллельно включенных тиристоров в каждой фазе АД и блока импульсно-фазового управления открыванием тиристоров.

Регулирование скорости АД путем изменения напряжения на статоре используется в замкнутых системах электропривода (см. далее разделы 5.5 и 5.6).

Амплитудное регулирование скорости АД возможно также и при импульсном изменении напряжения на статоре. На рисунке 14.11 показаны механические характеристики для такой схемы регулирования при различной величине скважности ( - период включения напряжения, t₀- период отключения , - период коммутации). При двигатель работает на естественной механической характеристике.

При импульсном регулировании напряжения на статоре АД диапазон регулирования скорости также очень мал, регулирование возможно только вниз (это существенный недостаток).

При электромагнитных переходных процессах, возникающих при включении и отключении обмотки статора, возникают пульсации напряжения и угловой скорости.

14.5 Регулирование скорости асинхронных двигателей в каскадных системах

14.5.1 Принцип работы каскадных систем.

Как уже указывалось ранее в (14.13 ), потери в АД с фазным ротором составляют . При глубоком регулировании скорости , то есть при больших величинах скольжения S, эти потери могут быть достаточно велики. Рассеяние потерь на сопротивлениях в цепи ротора существенно снижает экономические показатели АД.

Аппаратура в роторной цепи должна соответствовать мощности потерь.

Непосредственная передача энергии роторных потерь в сеть переменного тока невозможна из-за отличия частоты тока в сети и роторе АД. Передача энергии потерь (энергии скольжения) возможна, если использовать каскад электромашинных или вентильных устройств.

Системы асинхронного электропривода, в которых полезно используется энергия скольжения, называются каскадными системами АЭП . В таких системах используются схемы включения АД, обеспечивающие передачу энергии скольжения в сеть переменного тока или на вал АД при превращении энергии роторных потерь в механическую энергию.

Регулирование скорости АД в каскадных установках основано на введении в цепь ротора АД добавочной Э.Д.С , - согласно или встречно с Э.Д.С ротора Е₂.

Ток в роторе АД без введения в него добавочной

Э.Д.С. будет равен

, (14.14)

где Е_2Н – Э.Д.С. между кольцами неподвижного ротора ( при S=1).

При введении в ротор Е этот ток будет равен

, откуда

S = . (14.15)

Соотношение (14.15) показывает возможность регулирования S (то есть ) изменением , вводимой в ротор. Действительно .

Рассмотрим работу АД при нагрузке его постоянным (не зависящим от скорости ) статическим моментом М_С.

Если Е = 0 , то ток в роторе АД определяется в соответствии с (14.14) только Э.Д.С обмотки ротора и параметрами этой обмотки (Z₂). При введении в цепь ротора добавочной Э.Д.С. (Е₂ - Е) количество электрической энергии, выделяемой непосредственно в обмотке ротора, уменьшается.

Это приводит к уменьшению тока ротора () и следовательно, к уменьшению электромагнитного момента, развиваемого двигателем, который становится меньше момента сопротивления М_С. Двигатель начинает замедляться. Но при уменьшении скорости увеличивается скольжение и ЭДС ротора Е₂ = Е_2НS, что в свою очередь приводит к увеличению тока ротора и момента АД . Когда этот момент будет равен М_{С ,} двигатель перестанет замедляться. Вновь наступает установившейся режим, но при меньшей скорости ротора. Итак, при увеличении Е , включенной встречно Е₂, угловая скорость АД уменьшится, а при уменьшении Е и возрастании Е₂ = Е_2НS - Е угловая скорость АД увеличится.

Соответственно можно рассмотреть процесс изменения скорости АД при включении Е с другим знаком, то есть при Е₂= Е_2НS + Е. При Е = 0 АД будет работать на механической характеристике, близкой к естественной.

Энергия скольжения Р₂ = Р₁S может быть возвращена либо в сеть, либо на вал АД с помощью вспомогательного двигателя (ВД ).

В соответствии с этим различают два вида каскадных установок с АД :

а) электромеханические каскады (энергия скольжения возвращается на вал АД ) ;

б) электрические каскады (энергия скольжения возвращается в сеть переменного тока), которые в свою очередь подразделяются на вентильно-машинные и так называемые асинхронно-вентильные каскады.

14.5.2 Электромеханический вентильно - машинный каскад

Схема такого каскада показана на рис 14.12.

В этой схеме: CД- сглаживающий дроссель; BД - вспомогательный двигатель, Э.Д.С которого, регулируемая резистором R ₁, является добавочный Э.Д.С. Е каскадной установки. Баланс мощности в каскадной установке по рисунку 14.9 (без учета потерь в машинах) можно представить следующим образом. Электромагнитная мощность ( Р) равна:

или

P= Р₁S + P₂ = const , ( 14.16 )

где Р₁S = - мощность скольжения, снимаемая с колец АД в схему каскада;

Р₂ – полезная мощность на валу АД.

В рассматриваемом электромеханическом каскаде скорость асинхронного двигателя регулируется при постоянной мощности ( в выражении 14.16) ).

Поэтому иногда вентильно - машинный электромеханический каскад называют каскадом постоянной мощности.

На рисунке 14.13 показаны механические характеристики АД, включенного в схему электромеханического вентильно- машинного каскада.

Сопротивление якоря ВД и сглаживающего дросселя (даже при идеальных вентилях, включенных в роторную цепь) несколько снижают жесткость механических характеристик.

Критический момент АД в каскадной установке уменьшается ( по сравнению с критическим моментом на естественной характеристике из-за влияния коммутации анодов роторных вентилей ). Пусковой момент АД на всех регулировочных характеристиках одинаков и не зависит от тока возбуждения i_в вспомогательного двигателя ВД.

Это объясняется тем, что при добавочная ЭДС ВД также равна нулю. Выпрямленный ток в цепи ротора

(14.17)

где К_{СВ -} коэффициент схемы выпрямления в цепи ротора АД, для трехфазной мостовой схемы К_СВ = 1,35; - суммарное активное сопротивление роторной цепи, приведенное к цепи выпрямленного тока. Величина I₂ а, следовательно, и пусковой момент АД при и Е_ВД = 0 не зависят от тока возбуждения.

На рисунке 14.14 показаны механические характеристики каскадной установки. При увеличении тока возбуждения i_В вспомогательной машины ВД возрастает и момент, который передается на вал АД от ВД.

Поэтому критический момент АД в электромеханическом вентильно-машинном каскаде растет с ростом тока возбуждения ВД.

Диапазон регулирования скорости в таком каскаде составляет 2/1.Увеличение диапазона регулирования скорости в каскадной установке приводит к неоправданному увеличению мощности вспомогательной машины в роторной цепи.

Пуск электромеханического вентельно-машинного каскада осуществляется следующим образом. Вначале производят обычный реостатный пуск АД (на схеме рис. 14.12 пусковые сопротивления не показаны). При большой скорости, когда АД работает на естественной характеристике, к выпрямителю подключается якорь ВД и отключаются пусковые реостаты. Начинается возбуждение ВД.

Основной недостаток вентильно - машинных каскадов :

-необходимость применения вращающейся коллекторной машины постоянного тока.

14.5.3 Электрические каскадные установки

На рисунке 14.15 показана схема вентильно – машинного электрического каскада, в котором энергия скольжения основного двигателя АД преобразуется в энергию постоянного, а затем в энергию переменного тока и передается в питающую сеть. В вентильно – машинном каскаде по рисунку 14.15 добавочная Э.Д.С. в роторе Е регулируется изменением тока возбуждения машины ВД (реостат R₁).

Эта схема практически почти не применяется, так как для преобразования роторных потерь в АД и передаче их в питающую сеть необходим специальный агрегат постоянной скорости из машины ВД и СГ, снижающий общий КПД каскадной установки.

В современных электрических каскадных установках агрегат постоянной скорости заменяется инвертором, как это показано на рисунке 14.16.

=Const

Такой каскад называется асинхронно – вентильным электрическим каскадом. В асинхронно - вентильном электрическом каскаде в цепь выпрямленного тока ротора вводится добавочная ЭДС Едоб, получаемая регулированием угла опережения отпирания тиристоров инвертора И (угла ).Механические характеристики такой каскадной установки показаны на рисунке 4.17. Мощность на валу АД в электрических каскадных установках

. при , .

Мощность скольжения в электрических каскадных установках возвращается не на вал АД, а в питающую сеть. Поэтому мощность, забираемая из сети ( ) :

( 14.18 )

Таким образом , в электрических каскадных установках регулирование скорости происходит при М=Const.

Диапазон регулирования скорости в электрических каскадных установках невелик и, так же , как и в вентильно - машинных электромеханических каскадах, составляет 2/1.

Каскадные схемы включения могут использоваться, как и для двигателей в несколько десятков киловатт, так и для нескольких тысяч киловатт (при больших мощностях электропривод с асинхронным каскадом может быть единственно правильным с экономической точки зрения решением).

Недостатком каскадных установок является сложность решения вопроса торможения двигателя в режиме противовключения или в режиме рекуперации энергии в сеть при скоростях ниже синхронной ( ₀).

Поэтому для торможения АД в каскадных установках используется режим динамического торможения.

В асинхронно - вентильном каскаде можно достичь хорошей стабилизации скорости, если в такой установке использовать отрицательную обратную связь по скорости и положительную по выпрямленному току .

191