3. Регулирование скорости в каскадных схемах.
3.1. Принцип работы асинхронных вентильных каскадов
Принцип регулирования скорости асинхронного двига-теля в каскадных схемах заключается во введении в ротор-ную цепь добавочной ЭДС Едоб. Ток ротора в этом случае определяется разностью векторов ЭДС ротора Е2 и добавоч-ной Едоб:
где
Z - полное сопротивление роторной цепи.
Из записанного выражения следует, что изменяя вели-чину Едоб, можно регулировать ток ротора, а следователь-но, и момент двигателя, и в конечном итоге, скорость.
Исходя из удобства практической реализации, наибо-лее целесообразно в цепи ротора суммировать не трёхфаз-ную переменную ЭДС, а ЭДС постоянного тока. С этой целью в цепь ротора двигателя включается выпрямитель. Источ-ником добавочной ЭДС тогда может служить либо машина по-стоянного тока (вентильно-машинный каскад) либо статиче-ский преобразователь, подключённый к питающей сети (вен-тильный каскад).
В случае, когда вал машины постоянного тока М2, ко-торая является источником добавочной ЭДС, соединён с ва-лом регулируемого асинхронного двигателя, каскад называ-ют электромеханическим (рис. 3.1,а). Энергия скольжения в электромеханическом каскаде через выпрямитель UZ и двигатель М2 поступает на вал двигателя М1. Регулирова-ние скорости в таком каскаде осуществляется за счёт из-менения ЭДС машины М2. Если, например, увеличить поток возбуждения машины М2 (рис. 3.1,а), то возрастёт значе-ние Едоб, а разность между выпрямленной ЭДС ротора Еdp и Едоб уменьшается, что вызовет уменьшение тока ротора и момента двигателя и, как следствие, снижение скорости вращения двигателей М1 и М2 до уровня, при котором ток ротора двигателя сможет возрасти до прежнего значения. Поскольку вся мощность, потребляемая из сети (за исклю-чением мощности потерь), передаётся на вал, то в соот-
а)
б)
Рис. 3.1. Электрическая схема и механические характеристики электромеханического вентильно-машинного каскада.
ветствии с зависимостью М = Р/, при снижении скорости
момент двигателя (перегрузочная способность) возрастает. Механические характеристики такого способа регулирования скорости в каскадной схеме для различных значений тока возбуждения машины М2 приведены на рис. 3.1,б.
Как видно из анализа механических характеристик при снижении скорости не только возрастает перегрузочная способность двигателя, но и снижается жёсткость характе-ристик. Другим существенным недостатком, ограничивающим использование электромеханических каскадов, является за-вышенная мощность машины постоянного тока М2. Это обус-лавливается тем, что при снижении скорости асинхронного двигателя возрастает ЭДС ротора Е2, а значит и Еdp. В машине постоянного тока при снижении скорости ЭДС пада-ет, поэтому для сохранения определённого значения разно-сти ЭДС, задающей в соответствии с (3.1) величину тока и момента двигателя, магнитный поток машины М2 должен воз-растать не пропорционально снижению скорости, а значите-льно выше, что, в конечном итоге, требует завышения мощ-ности машины М2. Это завышение примерно пропорционально диапазону регулирования скорости.
В случае, когда машина постоянного тока, создающая добавочную ЭДС, приводится во вращение другим двигате-лем, подключённым к сети, или же в качестве источника добавочной ЭДС используется статический преобразователь, каскад называется электрическим. Энергия скольжения в данном каскаде через машину постоянного тока и её приво-дной двигатель или через статический преобразователь во-звращается в сеть. Наибольшее применение для регулирова-ния скорости электропривода получил асинхронно-вентиль-ный каскад (АВК), схема которого показана на рис. 3.2,а.
Рис.3.2.
Электрическая схема и механические
характеристики АВК.
В АВК энергия скольжения вначале преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором UZ2 в энер-гию переменного тока фиксированной частоты. Трансформа-тор Тр предназначен для согласования выходного напряже-ния инвертора с напряжением сети. Для регулирования ско-рости АВК необходимо изменять величину ЭДС инвертора на стороне постоянного тока за счёт изменения угла открыва-ния тиристоров .
Механические характеристики каскада, соответствую-щие разным значениям угла открывания, изображены на рис.3.2,б. Как следует из анализа характеристик, регули-рование скорости в АВК происходит при постоянном момен-те.
Для анализа характеристик каскадов рассмотрим схему замещения роторной цепи двигателя (рис. 3.3). Уравнение равновесия ЭДС для этой схемы в установившемся режиме имеет вид:
ЕdpoS = En+ IdpRэ; (3.2)
где Еdpo- выпрямленная ЭДС ротора при неподвижном роторе (S=1), для мостовой схемы Еdpo= 1,35 Eрн; Ерн- значение ЭДС на кольцах при неподвижном роторе; Еn- ЭДС преобразователя; Rэ= 2Rд+ (mв/2)ХдS+ Rn - эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора; Rn - внут-реннее сопротивление преобразователя; mв - пульсность схемы выпрямителя.
Рис. 3.3. Схема замещения цепи выпрямленного тока ротора.
Для вентильно-машинного каскада Rn принимается рав-ным активному сопротивлению цепи якоря машины М2 Rn= Rя, в АВК
Rn=2Rт+ (mu/2)Хт, (3.3)
где mu- пульсность схемы инвентора; Хт, Rт- индук-тивное и активное сопротивление фазы трансформатора Тр.
Соотношение между выпрямленным током Idp и моментом двигателя может быть найдено из уравнения потерь в ро-торной цепи двигателя:
P2= МоS = UdpIdp; (3.4)
где Udp = EdрoS -(mв/2)ХдIdpS - напряжение на выхо-де выпрямителя при условии принебрежения падением напря-жения на активном сопротивлении двигателя, то есть что (mв/2)ХдS >> 2Rд.
Отсюда
М = (1/о)[Edрo -(mв/2)ХдIdp] Idp. (3.5)
Выражая из уравнения (3.2) значение скольжения в режиме холостого хода (при Idp= 0), получим
Sо = Еn/Edpo. (3.6)
Тогда уравнение механической характеристики асинх-ронного двигателя в каскадной схеме включения может быть получено из уравнения (3.5) при подстановке в него Idp из (3.2) и Sо из (3.6):
Из анализа уравнения (3.7) следует, что механичес-кие характеристики в разомкнутой системе АВК имеют низ-кую жёсткость, что существенно снижает возможный диапа-зон регулирования скорости. Для повышения жёсткости ха-рактеристик и расширения диапазона регулирования скорос-ти на базе АВК строят замкнутые системы.