4.3. Регулирование скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах его включения

Регулирование скорости АД при использовании некоторых рассмотренных способов сопровождается выделением в цепи ротора потерь мощности ΔР₂ = Мω₀s, что значительно снижает экономические показатели асинхронного ЭП.

Первые схемы, в которых полезно использовалась энергия потерь, создавалась путем специального со­единения АД с другими электрическими машинами. Поэтому эти схемы получили название каскадных: "В настоящее время существуют схемы, использующие энергию скольжения АД без добавочных электрических машин, а с помощью полупроводниковых приборов и трансформаторов. Однако эти схемы также назы­вают каскадными.

В общем случае каскадными называют такие схемы включения АД, которые, обеспечивая регули­рование его скорости, позволяют одновременно полез­но использовать энергию потерь в роторе.

Рис. 5.31. Схемы электромеханического (а) и электрического (б) вентильно-машинных каскадов

По способу использования этой энергии различают схемы электромеханического машинно-вентильного каскада и электрического каскада.

В электромеханическом машинно-вентильном каска­де (рис. 5.31, а) обмотка ротора АД 2, приводящего в движение рабочую машину 1, подключается к тре­хфазному неуправляемому выпрямителю 4, собранному на полупроводниковых вентилях. К выводам выпрямителя присоединен якорь вспомогательной ма­шины 3 постоянного тока, ЭДС которой Е_{в м} направ­лена навстречу ЭДС выпрямителя Е_в. АД 2 и ма­шина 3 соединены одним валом..

Если пренебречь потерями в схеме, то можно установить, что рабочей машине 1 передается вся электромагнитная мощность Р_эм. Действительно, на вал от АД 2 поступает мощность Р₂= Мω, от вспомогательной машины 3— мощность Р_{В М}= ΔР₂= = Мω₀s, в результате суммарная механическая мощ­ность на валу рабочей машины Р_{Р М}= Р₂+ Р_{в м}= Мω + Мω₀s= Мω₀= Р_эм.

В электрическом каскаде (рис. 5.31,6) в отличие от электромеханического вспомогательная машина 3 не имеет механической связи с АД 2, а соединена одним валом с синхронным генератором 5, подключенным к сети переменного тока. За счет этого I, энергия потерь передается не на вал рабочей машины 1, а с помощью генератора 5 отдается в сеть, а рабочей машине передается только механическая мощность Р₂= Мω.

Рассмотрим регулирование скорости в каскадных схемах, которое происходит за счет изменения ЭДС Е_вмвспомогательной машины 3 за счет воздействия на ток возбужденияI_Вэтой машины.

Предположим, что при работе ЭП в установив­шемся режиме происходит увеличение тока возбуждения I_В. Это повлечет за собой увеличение ЭДС Е_вми вследствие этого уменьшение выпрямленного. токаI_d, который определяется выражением

I_d= (Е_в–Е_{в м})/R_∑, (5.35)

где R_∑, — суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока; Е_в— ЭДС выпрямителя 4.

Уменьшение I_dи тем самым тока ротора АД 2 вызовет снижение его момента, который станет меньше момента нагрузки М_с, создаваемого рабочей машиной 1. В результате скорость двигателя начнет снижаться, а его скольжение и ЭДС роторной обмотки Е₂= Е_2кsначнут возрастать. Увеличение ЭДС ротора приведет к увеличению тока ротора и тем самым момента АД, который вновь станет равным моменту нагрузки, и скорость АД перестанет изменяться. Двигатель опять будет работать в установившемся режиме, но уже при более низкой скорости. В случае уменьшения токаI_вскорость АД будет возрастать.

Из механических характеристик электромеханичес­кого каскада для разных значений токов I_в(рис. 5.32, а) видно, что максимальный, момент по мере снижения скорости каскада возрастает, поскольку по мере увеличения тока возбуждения вспомогательной машины ее момент также возрастает. При этом максимальная механическая мощность каскада, определяемая произведением максимального момента на соответствующую этому моменту скорость, при I разных токах возбуждения вспомогательной машины 1 примерно одинакова. Поэтому электромеханический каскад называют каскадом постоянной мощности.

Рис. 5.32. Механические характеристики электромеханического (а) и электрического (в) каскадов: 1—4—соответственно при I_в = 0; 0,2; 0,4

При токе возбуждения вспомогательной машины, близком к нулю, механическая характеристика (рис. 5.32, б) электрического каскада близка к естест­венной характеристике АД. По мере увеличения тока возбуждения искусственные характеристики 2—4 располагаются ниже естественной 1, причем номиналь­ному току возбуждения I_в ном соответствует самая низкая характеристика. Максимальный момент каскада, определяемый только АД 2 (см. рис. 5.31), сохраняется на разных характеристиках примерно постоянным. Поэтому электрический каскад называ­ют каскадом постоянного момента.

В настоящее время в связи с широким распрост­ранением силовых тиристорных преобразователей появилась возможность заменять ими электромашин­ные вращающиеся преобразователи. В частности, электромашинный агрегат 3—5 (см. рис. 5.31,6) представляет собой преобразователь энергии посто­янного тока, поступающей от выпрямителя 4, в энер­гию переменного тока, отдаваемую в сеть. Такой машинный агрегат может быть заменен на статичес­кий преобразователь "частоты, состоящий из транс­форматора 2 и инвертора 3 (рис. 5:33). К обмотке ротора АД 1 подключен неуправляемый выпрями­тель 5 и инвертор 3, а также реактор 4, который служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Асинхронный ЭП по схеме рис. 5.33 получил название асинхронного вентильного каскада.

Инвертор, представляет со­бой преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Электродвижущую силу инвертора можно регули­ровать аналогично тому, как регулируется ЭДС машины постоянного то­ка. Поэтому механичес­кие характеристики асин­хронного вентильного ка­скада аналогичны характеристикам вентильно-машинного электрическо­го каскада.

Рис 5.33. Схема асинхронного винительного каскада

Существует много схем асинхронных вентильных каскадов, аналогичных рассмотренной. Эти схемы несколько отличаются по своей сложности, техническим возможностям регулирования скорости, энергетическим показателям и т. д: Однако принцип действия и назначение этих схем аналогичны: использование энергии скольжения для .совершения, полезной работы и возможность плавного регули­рования скорости АД.

Отметим основные показатели регулирования ско­рости АД в каскадных схемах включения.

Практический диапазон регулирования скорости в каскадных схемах обычно не превышает двух. Вызвано это тем обстоятельством, что по мере роста диапазона регулирования скорости и тем самым скольжения АД требуется увеличивать уста­новленную мощность всех устройств в его роторной цепи. Так, при диапазоне регулирования. равным двум установленная мощность машинно-вентильного электрического каскада составляет 250% номиналь­ной мощности АД, из них основной АД —100%, выпрямитель, вспомогательная машина и синхронный генератор —по 50%.

Плавность регулирования скорости АД в каскадных схемах высокая и определяется плавностью изменения ЭДС вспомогательной машины или ПЧ. Регулирование скорости производится вниз от естественной характеристики, а некоторые специальные каскадные схемы обеспечивают и двухзонное регулирование скорости.

Несмотря на значительные капитальные затраты при реализации данного способа регулирования скорости, применение каскадных схем за счет полез­ного использования энергии скольжения оказываются экономически целесообразным для мощных асинхрон­ных ЭП с небольшим (не более 2—3) диапазоном регулирования скорости. К ним относятся ЭП мощ­ных вентиляторов, центробежных насосов, компрессо­ров, воздуходувок, испытательных установок.