4. 13. Асинхронным регулируемый

электропривод в каскадных системах

Каскадные электроприводы с асинхронными двига- телями с фазным ротором в отличие от асинхронных электроприводов с параметрическими и импульсными способами управления целесо- образно применять в установках средней и большой мощности, рабо- тающих в продолжительном режиме при относительно небольших диапазонах регулирования. К таким установкам относятся, например, воздуходувки, центробежные насосы, шахтные вентиляторы, приводы бумажных машин, шаровые мельницы и др.

Каскадные электроприводы позволяют полезно использовать энер- гию скольжения, повышая при этом эффективность электропривода. Они легко поддаются автоматизации и позволяют обеспечить оптималь- ный режим работы производственного механизма.

Каскадные электроприводы в зависимости от того, как реализу- ется энергия скольжения, разделяются на электрические и электро- механические. В электрических каскадах энергия скольжения за вы- четом потерь возвращается в питающую сеть. В электромеханических энергия скольжения, преобразованная в механическую энергию, воз- вращается на вал основного асинхронного двигателя.

По типу устройства, преобразующего энергию скольжения, раз- личают электромашинные, вентильно-машинные и вентильные каскады.

Электромашинные каскады с асинхронными двигателями не полу- чили широкого применения, так как предусматривали включение в роторную цепь одноякорного преобразователя, отличающегося повышенной инерционностью, неудовлетворительными условиями ком- мутации и неустойчивой работой при малых скольжениях.

Бурное развитие силовой полупроводниковой техники и особенно тиристоров, а также интегральных систем управления значительно расширило область использования вентильных каскадных приводов, повысив их надежность и КПД.

Наиболее простыми схемами вентильных и вентильно-машинных каскадов являются схемы с промежуточным звеном постоянного тока. Принципиальная схема вентильно-машинного электрического каскада с промежуточным звеном постоянного тока приведена на рис. 4. 60. Здесь обмотка статора основного асинхронного двигателя M1 при- соединена к сети переменного тока промышленной частоты, а роторная обмотка соединена с выпрямительным мостом В. Энергия скольже- ния, преобразуемая выпрямительным мостом, реализуется двигателем постоянного тока М2. С помощью синхронного генератора О, нахо- дящегося на одном валу с двигателем постоянного тока, энергия сколь- жения за вычетом потерь возвращается в питающую сеть.

Регулирование угловой скорости двигателя M1 осуществляется изменением добавочной ЭДС, создаваемой машиной М2 в цепи выпрям-

лепного тока посредством воздействия на ток возбуждения этой ма- шины при помощи R1.

При работе каскада в двигательном режиме выпрямленное напря- жение ротора должно уравновешивать противо-ЭДС машины постоян- ного тока, падение напряжения в активных сопротивлениях роторной цепи, а также падение напряжения, обусловленное процессом комму- тации вентилей.

Ток, протекающий в цепи выпрямленного напряжения, опреде- ляется по формуле

(4.79)

где Е_d0 — среднее значение ЭДС на выходе выпрямительного моста при скольжении s = 1,

(4.80)

R_э — эквивалентное сопротивление роторной цепи; Е_2К — линейное напряжение на кольцах ротора M1 при s = 1; Е_доб — добавочная ЭДС, определяемая противо-ЭДС машины постоянного тока М2; 2ΔU — падение напряжения на вентилях.

Рис. 4. 60. Принципиальная схема вентильно-машинного электрического каскада с промежуточным звеном по- стоянного тока.

Если принять I_d = 0, то можно, отвлекаясь от области прерыви- стых токов, найти скольжение, отвечающее угловой скорости идеаль- ного холостого хода:

(4.81)

или, для упрощения полагая ΔU = 0, получить:

(4.82)

где ω₀ — синхронная угловая скорость асинхронного двигателя M1.

Таким образом, угловая скорость идеального холостого хода каскада снижается по мере увеличения Е_доб.

Мощность скольжения, лроходящая через роторную цепь, вос- принимается, за исключением потерь, двигателем постоянного тока М2 и равна:

(4.83)

здесь т — число фаз выпрямителя (для мостовой схемы т = 6); х_Д— приведенное к цепи ротора индуктивное сопротивление фазы асин- хронного двигателя.

Из (4. 83) момент двигателя

(4.84)

После соответствующих преобразований получим:

(4.85)

где ;R_д— приведенное к цепи ротора активное сопротивление фаз асинхронного двигателя; R_я — сопро- тивление якорной цепи двигателя постоянного тока М2.

Пренебрегая в (4. 85) слагаемым тх_д (s — s₀) /2π по сравнению с R_э (при значениях s, близких к s₀), получаем:

(4.86)

На рис. 4. 61 приведены механические характеристики электриче- ского каскада.

Полное использование асинхронного двигателя в электрическом каскаде достигается в случае постоянства момента нагрузки (при

независимой вентиляции) на его валу, поэтому вентильно-машин- ный электрический каскад иног- да называют каскадом постоян- ного момента.

В рассматриваемом случае установленная мощность выпря- мительного моста и машины

Рис. 4. 61. Механические харак- теристики электрического кас- када.

постоянного тока определяется наибольшим напряжением на кольцах ротора, пропорциональным скольжению, и наибольшим током, зави- сящим от момента нагрузки.

При постоянном моменте нагрузки наибольшему напряжению в роторной цепи, обусловленному диапазоном регулирования, соот- ветствует наименьшая угловая скорость асинхронного двигателя и наибольший, равный номинальному, ток нагрузки (при независимой вентиляции).

В случае вентиляторной нагрузки наибольшему току нагрузки соответствует минимальное напряжение. Однако как при регулирова- нии с постоянным моментом, так и при регулировании с вентилятор- ным моментом установленные мощности преобразовательных агрега- тов будут одинаковы.

Активная мощность синхронного генератора определяется мак- симальной мощностью скольжения. Отсюда следует, что чем больше диапазон регулирования угловой скорости, тем больше установлен- ная мощность устройств в роторной цепи асинхронного двигателя, преобразующих мощность скольжения. Поэтому практический диа- пазон регулирования угловой скорости не превышает D = 2: 1; при этом суммарная установленная мощность вентильно-машинного элек-

трического каскада составляет 250% и разделяется так: 100% — основной асинхронный двигатель, 50 % — выпрямительный мост, 50 % — машина постоянного тока и 50 % — синхронный генератор. С увеличением диапазона регулирования угловой скорости возрастает установленная мощность каскада, достигая 400 %,

Регулирование угловой скорости может осуществляться только вниз от основной, поэтому этот тип каскада относится к приводам, обладающим однозонным регулированием. Плавность регулирования угловой скорости неограниченна, так как она определяется плав- ностью изменения тока возбуждения машины постоянного тока. Регу- лирование экономичное. Коэффициент полезного действия электро- привода при номинальной нагрузке и максимальной угловой скорости каскада составляет примерно 0,82—0,85 (уменьшаясь. с уменьшением нагрузки и угловой скорости). Коэффициент мощности собственно каскада при указанных условиях составляет 0,7—0,75, однако может

быть увеличен за счет перевозбуж- дения синхронной машины агрегата постоянной скорости.

Стабильность угловой скоро* сти определяется жесткостью ме- ханических характеристик и су- щественно выше, чем при реостат- ном и других видах параметриче-

Рис. 4.62. Принципиальная схема вентильно-машинного электромеха- нического каскада.

ского и импульсного регулирования, но хуже, чем при частотном управлении.

Принципиальная схема вентильно-машинного электромеханиче- ского каскада приведена на рис. 4.62. Как и в предыдущем случае, к сети переменного тока присоединяется статор асинхронного двига! теля M1, ротор которого механически связан с двигателем постоян- ного тока М2. Электрически якорь двигателя соединен через выпря- мительный мост с обмоткой ротора; реализуемая двигателем постоян- ного тока энергия скольжения за вычетом потерь возвращается на вал привода.

Регулирование угловой скорости привода осуществляется, как и в случае вентильно-машиниого электрического каскада, изменением добавочной ЭДС, создаваемой двигателем постоянного тока, в цепи выпрямленного напряжения.

Управляющим воздействием при регулировании угловой ско- рости является изменение тока возбуждения двигателя постоянного тока. С увеличением тока возбуждения снижается угловая скорость двигателей. Очевидно, что в электромеханическом каскаде ЭДС ма- шины постоянного тока зависит не только от тока возбуждения, но и от угловой скорости асинхронного двигателя, поскольку обе машины находятся на одном валу.

Электромагнитный момент, развиваемый каскадом, равен сумме моментов асинхронного двигателя и машины постоянного тока:

(4.87)

Уравнение равновесия ЭДС роторной цепи

(4.88)

Подставляя в (4.88) вместо Е_м2=kФ_м2ω₀(1 — s), находим сколь- жение асинхронного двигателя, соответствующее угловой скорости идеального холостого хода каскада (полагая I_d = 0):

(4.89)

(4.90)

С учетом (4. 89) можно из (4. 88) найти выражение для тока

Подставляя из (4. 90) значение тока в (4. 87), после преобразова- ний получаем:

(4.91)

По аналогии с (4. 86) можно записать:

(4.91а)

Приведенное выражение для момента каскада справедливо при токах, соответствующих так называемому первому режиму работы схемы выпрямления.

Рис. 4. 63. Примерные механиче- ские характеристики вентильно- маши иного электромеханичес- кого каскада.

Из (4. 89) и (4. 91) следует, что с увеличением магнитного потока машины постоянного тока момент каскада возрастает, при этом угло- вая скорость его снижается. Примерные характеристики вентильно- машинного электромеханического каскада приведены на рис. 4. 63.

Без учета потерь в машинах мощность, отдаваемая асинхронным двигателем на вал, равна:

(4.92) где p₁ — мощность, потребляемая из сети; s — скольжение асинхрон- ного двигателя.

Мощность скольжения, реализуемая двигателем постоянного тока и возвращаемая на вал каскада, равна:

P_s=P_1s

Таким образом, суммарная мощность, развиваемая каскадом независимо от скольжения (и от угловой скорости), будет поддержи- ваться постоянной. Поэтому иногда вентильно-машинный электро- механический каскад называют каскадом постоянной мощности. При

этом следует иметь в виду, что поддержание постоянства мощности, а следовательно, возрастание момента каскада со снижением его угло- вой скорости может быть обеспечено соответствующим выбором ма- шин каскада и независимой их вентиляцией.

(4.94)

Установленная мощность машины постоянного тока может быть найдена из равенства

откуда P_M2=M_M2ω₀=P₁s/(1-s)≈P_M1s/(1-s) (4.95)

Уже при s = 0, 5 P_M2 = P_M1- с ростом скольжения, т. е, с уве- личением диапазона регулирования, мощность машины постоянного тока существенно возрастает по сравнению с мощностью Р_M1, что вытекает из (4. 95), поэтому диапазон регулирования ограничен прак- тически значением 2: 1. Вентильно-машинный каскад позволяет полу- чить плавное однозонное (вниз от основной) экономичное регулировав ние.

Коэффициент полезного действия каскада при регулировании угловой скорости и полной нагрузке составляет примерно 0,82—0,85, а коэффициент мощности асинхронного двигателя при номинальной угловой скорости и полной нагрузке составляет примерно 0,75—0,8. Стабильность угловой скорости примерно такая же, как и в случае электрического каскада.

В настоящее время электромеханический агрегат посто- янной скорости в электрическом каскаде заменяется инвер- тором. Принципиальная схема такого каскада, называе- мого асинхронно-вентильным (АВК), приведена на рис. 4. 64. Здесь асинхронный двигатель М подключен со стороны статора к сети переменного тока, роторная цепь его через выпрямитель В, инвертор И и согласующий трансформа- тор Т присоединяется к той же питающей сети. Для сгла- живания выпрямленного тока и нормальной работы инвер- тора включен реактор L. Принцип действия этого каскада аналогичен действию вентильно-машинного каскада и со- стоит в том, что в цепь выпрямленного тока ротора вво- дится добавочная ЭДС, получаемая регулированием угла β опережения включения тиристоров инвертора.

Ток в роторной цепи

(4.96)

где Е_dо = 1, 35E_2к; Е_d0и — ЭДС холостого хода инвертора при β= 0, Е_d0и = 2,34 E_2Ф,_Т; E_2Ф,_Т — ЭДС фазы трансфор- матора; ΣΔU — суммарное падение напряжения в венти- лях роторной и инверторной групп преобразователя; R_э — эквивалентное сопротивление, приведенное к роторной цепи:

x_Т, R_T — соответственно индуктивное и активное сопротив- ления фазы трансформатора, приведенные к цепи ротора; r_l — активное сопротивление реактора.

Уравнение для момента асинхронного двигателя оказы- вается аналогичным полученному для электрического вен- тильно-машинного каскада (4. 83). Ток ротора равен:

(4.97)

здесь е == E_doи/E_d0; λ=ΣΔU/E_d0

Из (4. 97) при I_d = 0, пренебрегая ΔU, находим:

(4.98)

где

Используя (4. 83), после преобразований получаем при- ближенное выражение для момента

(4.99)

Формула не учитывает высших гармоник тока, искаже- ний механических характеристик в области прерывистых

Рис. 4. 64. Принципиальная схе- Рис. 4. 65. Примерные механи-

ма асинхронно-вентильного кас- ческие характеристики асиы-

када. , хронно-вентильнога каскада.

токов, а также различных режимов работы выпрямителя, в которых внешняя характеристика выпрямителя резко падает.

Примерные механические характеристики АВК пока- заны на рис. 4. 65 (момент выражен в долях максимального момента двигателя в естественной схеме включения). Из

них видно, что при некотором угле β перегрузочная способ- ность АВК падает. Регулировочные свойства АВК при уменьшении угловой скорости ограничены некоторым допу- стимым по условиям устойчивой работы инвертора мини- мальным углом β и током инвертирования.

Максимальная угловая скорость АВК при номинальном моменте составляет примерно 0,9ω₀; минимальная угловая скорость практически принимается равной 0,5ω₀. Даль- нейшее снижение угловой скорости приводит к увеличе- нию установленной мощности всех силовых элементов,

включенных в роторную цепь, точно так же, как и в электрическом вентиль- но-машинном каскаде.

Регулирование угловой скорости в АВК однозон- ное (вниз от основной), плавное бесступенчатое, экономичное. КПД асин- хронно-вентильного кас-

Рис. 4. 66. Примерная зависи- мость коэффициента мощности от скольжения для асинхронно- вентильного каскада небольшой мощности.

када достигает 0,82—0,9 при максимальной угловой скоро- сти и тем выше, чем больше его мощность. При снижении угловой скорости КПД падает. Если КПД сравнительно высок, то коэффициент мощности АВК оказывается низ- ким, что обусловливается значительным суммарным потреб- лением реактивной мощности двигателем и инвертором и искажением тока инвертором. Коэффициент мощности зависит не только от нагрузки, но и от угловой скорости асинхронного двигателя. Примерная зависимость cos φ_к от скольжения и момента М* = М/М_ном для АВК небольшой мощности дана на рис. 4.66.

Стабильность угловой скорости АВК хуже, чем у вен- тильно-машинного электрического каскада. Регулирование осуществляется при независимой вентиляции с постоянным (номинальным) моментом нагрузки.

Следует отметить, что в рассмотренных схемах каскадов двигатель может работать в двигательном режиме при ско-

роста ниже синхронной, в режимах противовключения, динамического торможения и генераторном параллельно с сетью при скорости выше синхронной. При этом энергия скольжения рекуперируется в сеть. Двигатель не может работать в генераторном режиме при скорости ниже син- хронной и двигательном режиме при сверхсинхронной ско- рости, когда энергия должна поступать из сети в ротор, что невозможно при нереверсивном неуправляемом выпря- мителе в роторной цепи. Эти режимы могут быть реализо- ваны в машине двойного питания.