В результате преобразований (7.127) можно представить в виде

(7.128)

Полученные уравнения механической характеристики элект­рического машинно-вентильного каскада справедливы для зна­чения непрерывного тока I_d,при котором угол коммутации токов в выпрямителе не превосходит 120°. Практически это соответствует рабочему участку характеристики в пределах отМ = 0доМ = 0,8М_к,е, гдеМ_к,е -критический момент асинхронного двигателя на естественной механической харак­теристике. Выразив в (7.128) скольжения через скорости и приняв приближенноR_эR_э0, уравнение механической харак­теристики можно записать в линеаризованном виде:

(7.129)

где _иE²_d0 /²₀R_э0 —модуль жесткости статической механи­ческой характеристики каскада.

Так как R_э0по мере снижения скорости увеличивается, жесткость статических характеристик каскада уменьшается с возрастаниемI_в,д и s₀- Примерный вид механических характе­ристик в рассматриваемой схеме показан на рис. 7.40,6. При малых нагрузках возможен переход в режим прерывистых токов, при котором механические характеристики отклоняются от (7.128), как показано на рис. 7.40,6 штриховыми линиями.

При независимой вентиляции в качестве критерия допусти­мой нагрузки могут быть приняты номинальные значения токов статора и ротора I_1номиI_2ном, при этом поток двига­теляФ = Ф_ном иcos ₂ = cos _2ном. Соответственно допустимая нагрузка каскадаМ_доп = kФ_номI_2ном cos _2ном = М_ном = const.

Электрическим каскадам соответствует регулирование при постоянном моменте.

Как было отмечено, мощность преобразователя энергии скольжения в электрических каскадах пропорционально макси­мальному скольжению двигателя при регулировании скорости. В рассматриваемом каскаде осуществляется однозонное регу­лирование и требуемая мощность преобразователя определя­ется соотношением

(7.130)

где D = _max/_min ₀/_min - диапазон регулирования скорости.

Электромашинный преобразовательный агрегат и выпрями­тель должны иметь номинальную мощность, определяемую (7.130). Невысокий КПД электромашинного преобразователь­ного агрегата несколько снижает энергетические показатели машинно-вентильного каскада. Угол коммутации выпрямителя вызывает дополнительный сдвиг по фазе между током ротора и напряжением сети, что увеличивает потребление реактивной мощности. Однако его важным преимуществом является воз­можность работы синхронного генератора с опережающим cosпри соответствующем регулировании его тока возбужденияI_в,г- Эта возможность представляет особый интерес в мощ­ных электроприводах, так как мощный синхронный генератор каскада может благотворно влиять на условия работы питаю­щей сети, компенсируя отрицательное влияние на сеть широко используемых в последние годы на предприятиях тиристорных преобразователей.

Напротив, в электроприводах средней и малой мощности более целесообразно использование вентильных электрических каскадов. Схема асинхронно-вентильного каскада представлена на рис. 7.42. В ней вместо электромашинного преобразова­тельного агрегата предусмотрен нереверсивный тиристорный преобразователь ТП,работающий в инверторном режиме, при­чем для согласования напряжения сети и напряжения цепи ротора предусмотрен трансформаторТр.

Выпрямленный ток в данной схеме определяется по фор­муле

(7.131)

где Еmaх -максимальная ЭДС тиристорного преобразователя;

 — угол регулирования.

При работе каскада угол регулирования задается в пределах от 90 до 150°. При таких углах в режиме непрерывного тока преобразователь работает в инверторном режиме и его ЭДС в (7.131) отрицательна. Эквивалентное сопротивление при этом

выражается так:

где mв, mи- число фаз выпрямления соответственно выпрями­теля и' инвертора;Xтр Rтриндуктивное сопротивление рас­ сеяния и активное сопротивление трансформатора.

Сравнивая (7.131) и (7.132) с (7.122), можно убедиться в их полной аналогии, поэтому механические характеристики асин­хронно-вентильного каскада описываются соотношениями (7.127)-(7.129) и имеют вид, аналогичный характеристикам машинно-вентильного каскада (см. рис. 7.40, б).

Вентильный каскад успешно применяется в электроприводах небольшой мощности, при этом Rэ,относительно возрастает и уменьшение жесткости механических характеристик при уменьшении скорости0ипроявляется более заметно, чем по­казано на рис. 7.40,6. Поэтому для получения требуемой точности регулирования используют автоматическое регулиро­вание скорости каскада по отклонению, подавая сигнал ошиб­ки на вход тиристорного преобразователя. Благодаря высокому коэффициенту усиления и быстродействию тиристорного пре­образователя в схеме обеспечиваются благоприятные условия регулирования.

Коэффициент полезного действия вентильного каскада вы­ше, чем машинно-вентильного из-за малых потерь энергии в тиристорном преобразователе. В то же время коэффициент

Мощности электропривода дополнительно снижается сдвигом по фазе между точками инвертора и напряжением сети и искажением формы тока,

В заключение рассмотрим особенности машинно-вентильного электромеханического каскада, схема которого приведена на рис. 7.43,a. Сравнивая эту схему со схемой на рис. 7.40 и, можно установить, что электромеханического касыда применима схема замещения, приведенная на рис. 7.41. Соответственно формулы (7.21), (7.122) и (7.128), полученные для машинно-вентельного каскада, справедливы и для электромеханического каскада. Особенностью последнего является то, что энергия скольжения направляется не в сеть, а в виде механической энергии, вырабатываемой двигателемДП а вал агрегата АД-ДП.Следовательно, электромагнитный момент, развиваемый каскадом, определяется суммой моментов этих машин

Электромагнитный момент асинхронного двигателя при этом определяется формулой (7.125). Электромагнитный мо­мент двигателя постоянного тока

Электродвижущая сила двигателя ДП

Если данное выражение Ед., п. подставить в (7.122) и прибли­женно принять , получим

Рис. 7.43. Схема (а)и механические характеристики(б)электро­механического каскада

Из(7.135) приIд.=0 можно определить скольжение, соот­ветствующее скорости идеального холостого хода каскада:

С учетом (7.136) выражение (7.135) может быть представлено в виде

Суммируя (7.125) и (7.133) в соответствии с (7.132), полу­чаем

Уравнение механической характеристики электромеханиче­ского каскада получается, если в (7.138) подставить (7.137);

Уравнение (7.139) определяет нелинейные механические характеристики, вид которых представлен на рис. 7.43,6. Если приближенно принять при данном s0 то уравнение (7.139) можно линеаризовать в пределах рабочего участка механических характеристик:

где - модуль жест­кости искусственной механической характеристики электроме­ханического каскада.

Как и в схеме электрического каскада, увеличение тока возбуждения машины ДПприводит к увеличению скольженияsо и уменьшению скорости идеального холостого хода каскада0. Однако с возрастанием нагрузки растет ток Idи момент каскада увеличивается как из-за роста момента Ма.д, так и из-за увеличения момента двигателя постоянного тока Мд,п. Поэтому модуль жесткостиипри снижении скорости в электромеханическом каскаде может возрастать, если увели­чение ЭДС Ед,п вызовет более существенный рост числителя в выражениии(7.140), чем ростRэ0,обусловленный уве­личением скольжения. При малых нагрузках и здесь возможен режим прерывистых токов, влияние которого на форму характеристик показано на рис. 7.43,6 штриховыми линиями.

Оценим допустимую нагрузку при регулировании скорости в электромеханическом каскаде. Примем, что двигатель имеет независимую вентиляцию. Если пренебречь потерями, допустимую мощность нагрузки каскада можно представить

в виде

Таким образом, электромеханический каскад обеспечивает регулирование скорости при постоянной мощности. Допусти­мый момент нагрузки каскада

изменяется обратно пропорционально скорости, возрастая при ее снижении вследствие увеличения момента, развиваемого двигателем постоянного тока ДП. Максимальный момент ДЛ развивает при минимальной скорости:

Известно, что габариты электрической машины опреде­ляются ее номинальным моментом. Соотношение (7.141) пока­зывает, что требуемый момент двигателя постоянного тока в электромеханическом каскаде быстро возрастает при увели­чении диапазона регулирования скорости и при D > 2превышает номинальный момент асинхронного двигателя.

Пусть требуемый диапазон регулирования D = 10. В соответ­ствии с (7.141) при этом потребуется двигатель с номи­нальным моментом, большим, чем у асинхронного двигателя, примерно в 9 раз.

Если отказаться от регулирования при P=const и регу­лировать скорость при М = Ма.д.ном = const, можно существенно снизить требования к номинальному моменту двигателя постоянного тока. При такой нагрузке и минимальной ско­рости электромагнитная мощностьЭта мощность создается на валу каскада моментом асинхрон­ного двигателя Ма,д = Ма,дminи моментом двигателя постоян­ного тока

Следовательно, при регулировании с М= const

Номинальный момент машины постоянного тока при этом

и при D= 10 составит 0,9 Ма.д,ном. При номинальной скорости, равной номинальной скорости асинхронного двигателя тре­буемая мощность ДП определится аналогично определению мощности электрического каскада по соотношению (7.130).

Однако условия работы электромеханического каскада накладывают другие ограничения, которые затрудняют реали­зацию регулирования скорости в этом каскаде при Так, в рассмотренном примере приD =10 при работе с ми­нимальной скоростьюminбез нагрузки ЭДС двигателяДП должна полностью уравновешивать выпрямленное напряже­ниеЕd0тах= 0,9Еdо. Для двигателей единой серии это напря­жение составит в среднем 300 В и ЭДС двигателяДП

Необходимо выбрать серийный двигатель постоянного тока, для которого максимально допустимая скорость д,п,доп = 0а ЭДС Ед,п,mах = 300 В приmin== 0,10Предположим, чтод,п.доп=д.п.ном =10minтогда номинальное напряжениеДП должно быть не менее 3000 В. Большинство серийных дви­гателей имеет Uном440 В, и на напряжение выше 1000 В машины постоянного тока не выпускаются. Несколько облег­чает задачу то, что максимально допустимая скорость для двигателей постоянного тока указывается чаще всего для режи­ма ослабления поля и превышает номинальную в 1,5—2 раза. Но и с учетом этого можно заключить, что на серийных машинах реализовать электромеханический каскад сD > 1 3 практически невозможно.

Специфика электромеханического каскада требует при его выборе строгого обоснования путем сравнения с электропри­водом постоянного тока. Следует иметь в виду, что при D >2 габаритная мощностьDПдостаточна для приведения в движение механизма без асинхронного двигателя. При этом ослабление поля двигателя позволяет осуществлять экономич­ное регулирование скорости приD =1,52, а при ис­пользовании двигателей специальной серии, рассчитанных на глубокое ослабление поля, D8, что превышает возмож­ности электромеханического каскада.