4. 14. Регулируемый асинхронный

электропривод в системе двойного' питания

Подсоединяя статор асинхронного двигателя с фазным ротором к питающей сети переменного тока с не- изменным напряжением и частотой, а в ротор его подавая напряжение с изменяемой частотой и амплитудой, можно

Рис. 4. 67. Схема включения (а) и замещения (б) МДП.

плавно регулировать угловую скорость двигателя. Такой двигатель принято называть машиной двойного питания (МДП). Схемы включения и замещения МДП показаны на рис. 4.67, а, б.

На основании схемы замещения система уравнений для первичного и вторичного напряжений имеет вид:

(4.100)

где x₁₀ =х₁+х₀ ; х'₂₀= х'₂+х₀; θ-- угол сдвига между напряжением U₁ и приведенным к цепи статора напряже- нием U₂΄.

Если пренебречь потерями в стали, то для электромаг- нитного момента можно записать формулу

(4.101)

Подставляя в (4. 101) выражение для тока, полученное из (4. 100), и не учитывая составляющей намагничивающего тока в первичном токе, после преобразований находим:

(4.102)

где ;

Момент, развиваемый МДП, состоит из трех составляю- щих: первая— синхронный момент при питании со стороны статора напряжением U₁ и замкнутой накоротко вторичной обмотке; вторая — при питании со стороны ротора напря- жением U₂΄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 установив- шемся режиме дано в общем виде независимо от способа управления машиной. Установившийся режим любой элек- трической машины переменного тока определяется соотно- шением

где f₁, f₂ и f_в.р—соответственно частоты напряжений, под- водимых к обмоткам статора и ротора; f_в.р= ωр/2π.

Указанное условие может быть выполнено, например, при неизменной частоте питающей сети, либо когда f₂ яв- ляется независимой переменной, а f_в.р— ее функция, либо когда f_в.р — независимая переменная, а f₂ — ее функция.

Первый случай — f₂ — независимая переменная, а f_в.р— ее функция:

, или (4.103)

т. е. угловая скорость ротора будет изменяться в том слу- чае, если управление производится изменением частоты на- пряжения, приложенного к обмоткам ротора, но эта частота

не изменяется при изменении нагрузки. Такой режим ра- боты МДП называется синхронным. В частном случае, когда f₂ = 0. что означает питание роторной обмотки по- стоянным током, машина работает в установившемся ре- жиме с синхронной угловой скоростью как обычная синхрон- ная машина.

Схема включения МДП, работающей в синхронном ре- жиме, соответствует рис. 4. 67, а. На рис. 4. 67, а приняты следующие обозначения: ПЧ — преобразователь частоты с непосредственной связью; СУ — система управления преобразователем. На вход преобразователя подают трех- фазное напряжение U₁ с частотой f₁ а на выходе получают трехфазное напряжение U₂, амплитуду и частоту f₂ которого можно изменять в широких пределах. Для снижения угло- вой скорости МДП необходимо увеличить частоту f₂ и пово- ротом вектора U₂ в соответствующем направлении обеспе- чить отрицательный электромагнитный момент, что приве- дет, к замедлению электропривода. Снижение угловой ско- рости будет происходить до тех пор, пока не наступит уста- новившийся режим, при котором возникнет равновесие между моментом МДП и моментом нагрузки при заданном значении частоты f₂. Для увеличения угловой скорости при- вода надо уменьшить частоту f₂ и установить соответствую- щие значения модуля и направление вектора U₂; при этом увеличится ток в роторной цепи МДП, возрастет электро- магнитный момент, привод начнет ускоряться до угловой скорости, при которой наступит установившийся режим.

(4.104)

где P_s — мощность скольжения.

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

За счет легко осуществляемого посредством преобразо- вателя частоты изменения чередования фаз напряжения, вводимого в цепь ротора, можно заставить машину работать с угловой скоростью выше синхронной. Так как МДП в рас- сматриваемом режиме работает как синхронная машина, то угловая скорость ее не зависит от нагрузки, а развивае- мый ею момент определится при заданных U₁ и U₂ углом сдвига между ними. Если МДП работает при подсинхрон- ной угловой скорости (f₂ > 0) в двигательном режиме, когда мощность, развиваемая машиной, отдается на вал (рис 4. 68, а), то она потребляет из сети мощность, равную сумме:

»

Рис. 4.68. Направление потоков мощности в МДП в двигательном (а) и генераторном (б) режимах и механические характеристики (в) при. подсинхронной угловой скорости и синхронном режиме.

Рис. 4,69. Направление потоков мощности в МДП в двигательном (а) и генераторном (б) режимах и механические характеристики (в) при сверхсинхронной угловой скорости и синхронной режиме.

Изменяя фазу вводимого в ротор напряжения, но не меняя частоты, можно при соответствующей нагрузке заставить работать МДП в генераторном режиме (рис. 4. 68, б). 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.

(4.105)

Механические характеристики МДП показаны для рас- сматриваемой области угловых скоростей и режимов на рис. 4. 68, в.

Обмотки МДП могут быть так включены, что поля ста- тора и ротора будут вращаться встречно (f₂ < 0); тогда угло- вая скорость двигателя

(4.106)

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. 4. 69, а). Эта мощность равна:

(4.107)

В генераторном режиме мощность с вала передается в сеть и статорной и роторной цепями (рис. 4. 69, б), а соот- ношение этих мощностей определяется равенством (4. 107).

Механические характеристики МДП показаны для рас- сматриваемой области угловых скоростей и режимов на рис. 4. 69, в.

Как видно из рис. 4. 68, а, б и 4. 69; а, б, для обеспече- ния всех режимов работы МДП при угловых скоростях выше и ниже синхронной преобразователь частоты должен обла- дать двусторонней проводимостью и обеспечивать бескон- тактное изменение чередования фаз. Для этого наиболее при- годен преобразователь частоты с непосредственной связью.

В установившемся процессе и синхронном режиме ра- боты МДП скольжение сохраняется неизменным, поэтому ее устойчивость определяется характером изменения угла θ.

Второй случай — f_в.р — независимая переменная, а f₂ — ее функция:

, или (4.108)

Здесь при изменении частоты ротора, например, вслед- ствие изменения нагрузки должна соответственно изме- няться частота напряжения, приложенного к обмоткам ро- тора. Этому отвечает асинхронный режим работы МДП.

На рис. 4. 70 дана структурная схема МДП для этого режима. На одном валу с асинхронным двигателем М установлен датчик частоты вращения ДЧВ, представляющий собой син- хронный тахогенератор с возбуждением от постоянных маг- нитов с числом полюсов, равным числу полюсов двига- теля М. Датчик ДЧВ одновременно служит датчиком угло- вого положения ротора. На входы блока формирования напряжения частоты скольжения ФНЧС подаются сигналы с частотой питающей сети и частотой вращения. На выходе

этого блока вырабатываются синусоидальные сигналы, ча- стота которых соответствует (4. 108). Напряжение с часто-

Рис. 4. 70. Структурная схема Рис.4.71. Механические характе- МДП для асинхронного режима ристики -МДП для асинхронного работы. режима работы.

той сети подается на блок ФНЧС через фазовращающее устройство ФВ и регулятор напряжения РН, благодаря чему на выходе ФНЧС получают регулируемое по амплитуде и фазе напряжение. Регулирование угловой скорости МДП в этом режиме осуществляется воздействием на амплитуду (посредством РН) и фазу (посредством ФВ) вводимого в ро- торную цепь напряжения. Для получения механических характеристик требуемого вида необходимо производить одновременное изменение амплитуды и фазы роторного на- пряжения по некоторому закону или посредством замкну- тых систем регулирования; желательно также регулирова- ние фазы роторного напряжения в функции нагрузки.

В асинхронном режиме работы МДП благодаря введе- нию обратной связи по положению ротора, осуществляемой ДЧВ, устойчивость работы МДП определяется характером

изменения скольжения; при этом, как показывают более подробные исследования, МДП может устойчиво работать с любым углом между ЭДС статора и напряжением сети (кроме 0 и π) как в двигательном, так и в генераторном ре- жимах. Это одно из преимуществ асинхронного режима по сравнению с синхронным.

Механические характеристики МДП для асинхронного режима приведены на рис. 4.71, где ω*= ω/ω_0ном М* = = М/М_НОМ.

Диапазон регулирования угловой скорости МДП опре- деляется предельной частотой на выходе преобразователя. В обычном преобразователе частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей наибольшее значение частоты на его выходе не превышает половины частоты питающего напряжения, поэтому минимальная уг- ловая скорость при регулировании МДП вниз от синхрон- ной составит 0,5ω₀. Так как МДП допускает двухзонное ре- гулирование, то верхний предел скорости может достигать 1,5ω₀, т.е. общий диапазон регулирования не превосходит 3:1. Регулирование во всем диапазоне плавное экономич- ное, поскольку энергия скольжения за вычетом потерь в цепи ротора и в преобразователе либо возвращается в сеть, либо передается на вал (при сверхсинхронной скорости, в ре- жиме двигателя). При таком регулировании стабильность скорости высокая.

Допустимая нагрузка МДП в установившемся продол- жительном режиме определяется номинальными токами в роторной и статорной цепях (постоянство момента М_доп = = М_ном), если пренебречь ухудшением условий охлажде- ния при регулировании угловой скорости вниз от синхрон- ной. Регулирование вверх от синхронной обеспечивает не- которое улучшение условий охлаждения, поэтому допу- стимые токи в обмотках машины могут несколько превосхо- дить номинальные значения.

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

В МДП может осуществляться независимое регулирова- ние вторичного напряжения и его фазы, поэтому возможно

(4.109)

поддерживать высокий коэффициент мощности. Этим вы- годно отличается привод с МДП от вентильных каскадов. Реактивная мощность первичной цепи

Если раскрыть уравнение (4. 109), то можно увидеть, что оно состоит из двух членов. Первый член со знаком минус пропорционален квадрату первичного напряжения, он представляет собой выражение отстающей реактивной мощности обычной асинхронной машины, не возбуждае- мой со стороны ротора; второй член со знаком плюс — опережающая реактивная мощность, поставляемая со сто- роны ротора и зависящая от вторичного напряжения и его фазы, регулируя которую можно влиять на реактивную мощность, потребляемую со стороны статора, а следова- тельно, и на коэффициент мощности МДП. В частности, возможна полная компенсация реактивной мощности пер- вичной цепи (cos φ₁ = 1), когда машина возбуждается только со стороны ротора. Очевидно, что этому условию соответствует равенство первого и второго членов выраже- ния (4.109). Однако не при любом значении вторичного напряжения cos φ₁= 1. Расчеты показывают, что в прак- тически используемом диапазоне регулирования угловой скорости при изменении момента нагрузки от номинального в двигательном режиме до номинального в генераторном МДП может работать с cos φ₁ = 1. Если cos φ₁ = 1 при номинальном моменте, то при меньших нагрузках cos φ₁ окажется опережающим.

Для определения результирующего коэффициента мощ- ности (cos φ_Σ) электропривода необходимо учесть коэффи- циент мощности вторичной цепи.

При ограниченном диапазоне регулирования частоты скольжения для создания одного и того же магнитного потока со стороны ротора потребуется значительно мень- шая реактивная мощность, чем при питании со стороны статора, поэтому результирующий коэффициент мощности МДП может быть получен более высокий, чем у обычного асинхронного двигателя. С увеличением диапазона регу- лирования угловой скорости cos φ_Σ понижается. Так как роторная цепь МДП питается от преобразователя частоты, то для оценки cos φ_Σ 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 угло- вой скорости, а также для получения высокого быстро- действия. При этом исполнение МДП в зависимости от усло- вий окружающей среды возможно в контактном варианте на базе обычного асинхронного двигателя с фазным рото- ром 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 слу- чае статор первой машины присоединяется к питающей сети с неизменным напряжением и частотой, а статор дру- гой — к преобразователю частоты с непосредственной связью.

Перспективной оказывается и специальная бесконтакт- ная МДП, выполненна'я с двумя совмещенными обмотками на общем статоре и со специальным короткозамкнутым ротором. Регулируемый привод с МДП может быть исполь- зован в установках с автономным питанием, где в качестве генератора' применяется синхронная машина. Применение практически безынерционного преобразователя частоты в роторной цепи МДП дает возможность реализовать все ее положительные свойства в системе автоматического управ- ления, обеспечивающей благоприятные статические ха- рактеристики и высокие динамические качества электро- привода.