Регулирование скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах его включения

Регулирование скорости АД при использовании некоторых рассмотренных ра­нее способов сопровождается выделением в цепи ротора потерь мощности, называемых иногда потерями скольжения. При увеличении мощности асинхронного привода до нескольких сотен и тысяч киловатт потери скольжения становятся весьма большими по абсолютной величине, что значи­тельно снижает экономические показатели асинхронного ЭП.

Первые схемы, в которых использовалась энергия потерь в цепи ротора, создавались путем специального соединения АД с другими электрическими машинами, поэтому эти схемы получили название каскадных [1].

Регулирование скорости АД, работающего в каскадной схеме, основано на введении в цепь ротора двигателя добавочной электродвижущей силы (ЭДС). При этом вводимая ЭДС (Е_доб) должна быть соответствующим образом ориентирована относительно основной ЭДС машины (Е₂) и иметь во всех режимах работы ту же частоту, что и основная ЭДС. В противном случае эти ЭДС не смогут вступить во взаимодействие. В общем случае добавочная ЭДС не совпадает по фазе с основной ЭДС машины, что учитывается углом сдвига θ между ними. При θ<90^о введение добавочной ЭДС вызывает возрастание ЭДС роторной цепи машины, что ведет к росту тока и момента, развиваемого двигателем. Создаются условия для увеличения скорости двигателя, которое будет происходить до тех пор, пока момент двигателя не уравновесится моментом нагрузки. При малых углах θ и при условии Е_доб>Е₂ равновесие моментов двигателя и нагрузки наступит при отрицательном скольжении, т.е. при скорости выше синхронной. В случае, когда θ>90^о, вводимая в цепь ротора ЭДС уменьшает результирующую ЭДС этой цепи. Ток ротора и момент, развиваемый двигателем, уменьшаются, двигатель тормозится, причем это торможение при достаточной величине добавочной ЭДС может осуществлено до полной остановки привода.

При значениях угла θ, отличных от 0 и 180^о, ЭДС, вводимая в цепь ротора, оказывает влияние и на коэффициент мощности двигателя. В этих условиях результирующая ЭДС опережает по фазе ЭДС роторной цепи. Приняв в первом приближении параметры роторной цепи неизменными, получим, что ток ротора сдвинут по фазе на тот же угол ψ₂, что и в АД без введения добавочной ЭДС, но уже по отношению к результирующей ЭДС Е_2р'. По отношению к основной ЭДС машины ток ротора становится опережающим, в результате чего при углах θ, близких к 90^о, будет существенно уменьшаться реактивная составляющая тока статора.

Таким образом, регулирование скорости двигателя обеспечивается в основном составляющей добавочной ЭДС, которая совпадает по фазе с основной ЭДС машины, или находится с ней в противофазе. Составляющая добавочной ЭДС, опережающая основную на угол θ=90^о, обеспечивает улучшение коэффициента мощности двигателя.

В настоящее время существуют схемы, использующие энергию скольжения АД не посредством добавочных электричес­ких машин, а с помощью полупроводниковых преобразователей электрической энергии и транс­форматоров, однако эти схемы также называют каскадными.

В общем случае каскадными называют такие схемы включения АД, которые, обеспечивая регулирование его скорости, позволяют одновременно использовать энергию потерь. По способу исполь­зования этой энергии различают схемы электромеханического и электрического машинно - вентильных каскадов.

В электромеханическом машинно-вентильном каскаде (рис. 98, 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 постоянного тока 3, ЭДС которой Е_{в. м} направлена навстречу ЭДС выпрямителя Е_в. Роторы машин АД 2 и 3 соединены одним валом. Рассмотрим баланс мощности в этой схеме.

Поступающая из сети мощность Р₁ за вычетом потерь в статоре АД 2 передается на ротор. Большая часть этой мощности, называемая электромагнитной и определяемая выражением Р_эм = Мω₁, в виде по­лезной механической мощности Р₂ = МΩ передается рабочей машине 1. Оставшаяся часть, определяющая мощность потерь скольжения ΔР₂, за вычетом потерь в цепях ротора АД 2, выпрямителя 4 и вспо­могательной машины 3, с помощью последней преобразуется в меха­ническую мощность и возвращается на вал рабочей машины 1.

Если пренебречь потерями в схеме, то можно установить, что ра­бочей машине 1 передается вся электромагнитная мощность Р_эм. Дей­ствительно, на приводной вал рабочей машины от АД 2 поступает мощность Р₂ = МΩ, а от вспомогательной машины 3 - мощность Р_{в м}= ΔР₂ = Мω₁s, в результате суммарная механическая мощность на валу рабочей машины Р_{р. м} = Р₂+ Р_{в. м} = МΩ + Mω₁s = Мω₁=Р_эм.

В электрическом машинно-вентильном каскаде (см. рис. 98, б) 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, т. е. энергия потерь передается не на вал рабочей машины 1, а отда­ется в сеть, рабочей же машине передается только механическая мощность Р₂ = М Ω.

Рис.98. Схемы электромеханического (а) и электрического (б) электромашинно-вентильных каскадов

Рассмотрим принцип регулирования скорости в каскадных схе­мах, которое осуществляется изменением ЭДС вспомогательной ма­шины 3 Е_{в. м} в результате воздействия на ток возбуждения I_в этой машины.

Предположим, что при работе ЭП в установившемся режиме происходит увеличение тока возбуждения I_в, что влечет за собой увеличение ЭДС Е_{в. м}, а, следовательно, уменьшение выпрямленного тока, определяемого выражением

I_d=(E_в-E_в.м)/R_Σ, (238)

где R_Σ - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока;

Е_в - ЭДС выпрямителя 4.

Уменьшение I_d и 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 s и ЭДС роторной обмотки Е₂ = E_2кs начнут возрастать. Увеличение ЭДС ротора, как уже было сказано выше, 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 тока I_в скорость АД будет возрастать.

Следовательно, меняя значение и знак добавочной ЭДС (Е_{в. м}), в каскадных схемах можно регулировать скорость вращения ротора до значений выше и ниже синхронной.

Из рассмотрения механических характеристик электромехани­ческого каскада (рис.99, а) для разных значений токов I_в (со­ответственно I_в = 0; 0,2; 0,4; 1,0 I_{в. ном}) 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 разных токах возбуждения вспомогательной машины примерно одинако­ва. Поэтому электромеханический каскад (см. рис.98, а) называют каскадом по­стоянной мощности. Диапазон регулирования скорости в каскадах постоянной мощности (при скорости ниже синхронной) не превышает двух и ограничивается возрастанием мощности вспомогательного двигателя.

Рассмотрим теперь работу электрического каскада (рис.98, б). При токе возбуждения вспомогательной машины, близком к нулю, механическая характеристика электрического каскада близка к естественной характеристике АД (рис.99, б). По мере увеличения тока возбуждения искусственные характеристики 2... 4 располагаются ниже естественной 1, причем номинальному току возбуждения I_{в. ном} соответствует самая нижняя характеристика. Максимальный момент каскада, определяемый только АД 2 (см. рис. 98, б), сохраняется на разных характеристиках примерно постоянным. Поэтому электри­ческий каскад называют каскадом постоянного момента. В вентильных каскадах постоянного момента можно реализовать двухзонное регулирование скорости (выше и ниже синхронной) и получить диапазон регулирования скорости до 8…10, но максимальное значение скорости не должно превышать(1,3- 1,4)ω₁.

В современных асинхронных каскадах электромашинные вращающиеся преобразователи, как правило, заменяются тиристорными выпрямителями. В частности, элек­тромашинный агрегат 3... 5 (см. рис. 98, б), пре­образующий электрическую энергии постоянного тока, поступающую от выпрямите­ля 4, в электрическую энергию переменного тока, отдаваемую в сеть, может быть заменен на полупроводниковый преобразователь, состоящий из трансформатора 2 и зависимого инвертора 3 (рис. 100). В этой схеме к обмотке ротора АД 1 подключены неуправляемый выпрямитель 5 и зависимый инвертор 3, а также реактор 4, который служит для сглаживания пульсации выпрямленного тока. Асинхронный ЭП с та­кой схемой получил название асинхронного вентильного каскада.

Зависимый инвертор, как уже отмечалось, представляет собой преобразо­ватель энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Элек­тродвижущую силу инвертора можно регулировать аналогично ЭДС машины постоянного тока. Поэтому механические характе­ристики асинхронного вентильного каскада аналогичны харак­теристикам электромашинно - вентильного каскада.

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

Рис.99. Механические характеристики электромеханического (а) и электрического (б) каскадов: 1-4- соответственно при I_в=0; 0,2; 0,4; 1,0 I_{в. ном}

Рис.100. Схема асинхронного вентильного каскада

Отметим основные показатели ре­гулирования скорости АД в каскад­ных схемах включения.

Практический диапазон регули­рования скорости в каскадных схе­мах обычно не превышает 2. Объяс­няется это тем, 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, равном двум, установленная мощность электромашинно - вентильного каскада составляет 250% от номинальной мощности АД, из которых на собственно АД приходится 100%, а на выпрямитель, вспомогательную машину и синхронный генератор - по 50%.

Плавность регулирования скорости АД в каскадных схемах вы­сокая и определяется плавностью изменения ЭДС вспомогательной машины или ЭДС зависимого инвертора. Регулирование скорости производится вниз от ес­тественной характеристики, хотя некоторые специальные каскад­ные схемы обеспечивают и двухзонное регулирование. Несмотря на значительные капитальные затраты при реализа­ции данного способа регулирования скорости, применение каскад­ных схем за счет использования энергии скольжения для полезной работы оказывается экономически целесообразным для мощных асинхронных ЭП с небольшим диапазоном регулирования скорос­ти. Это ЭП мощных вентиляторов, центробежных насосов, ком­прессоров, воздуходувок, испытательных установок. В современной практике каскадные схемы утратили свое значение ввиду сложности пусковых режимов, режимов регулирования скорости и получения сверхсинхронных скоростей, а также большой установленной мощности электрооборудования. Единственным, но иногда решающим, преимуществом каскадных схем является сравнительная малая установленная мощность преобразователей, которые выбираются на величину Р_эмs, а в системах частотного управления на полную мощность.

6.10. Импульсный способ регулирования скорости асинхронного ЭП [1]

Развитие полупроводниковой техники активизировало при­менение импульсного регулирования координат АД. Сущность его заключается в периодическом (импульсном) изменении параметров цепей АД или питающей сети. Применительно к асинхронному ЭП чаще всего осуществляется импульсное изменение подводимого к АД напряжения или сопротивлений резисторов в цепях ротора или статора. Эти способы применяются главным образом для регули­рования скорости, хотя при необходимости они позволяют регули­ровать (ограничивать) ток и момент АД.

Для импульсного регулирования сопротивления R_2д резисторов 3 (рис. 101, а) в цепи ротора АД 1 параллельно им включаются контакты 2 управляемого ключа (например, электромагнитного или ти­ристорного контактора), работающего с изменяемым заполнением (скважностью) 0 <γ< 1. Принцип действия такой схемы аналогичен схеме с использованием ДПТ.

Аналогично работает и схема импульсного регулирования со­противления резистора 5, включенного в цепь выпрямленного тока ротора АД 1 с выпрямителем 4 (см. рис.101, б). Шунтирование резистора 5 осу­ществляется с помощью полностью управляемого полупроводникового ключа 6, который также ра­ботает с регулируемой скважностью γ.

Используя рассмотренные схемы можно получить семейство ис­кусственных механических характеристик АД при различных зна­чениях γ (см. рис. 101, в).

Рис. 101. Схема импульсного регулирования резисторов в цепи ротора АД (а), в цепи выпрямленного тока (б) и механические характеристики (в)

Проанализируем характеристики 7 и 10, построенные для граничных режимов работы управляемого клю­ча соответственно при γ = 1 и γ = 0. При γ = 1 (ключ 2 постоянно замкнут или тиристор 6 постоянно открыт) резистор закорочен и АД работает по естественной механической характеристике 7. При γ = 0 (ключ 2 постоянно разомкнут или тиристор 6 постоянно за­крыт) резистор полностью введен в цепь ротора и АД работает по искусственной характеристике 10. При промежуточных значени­ях заполнения 0 < γ < 1 эквивалентное сопротивление резистора в цепи ротора изменяется в соответствии с формулой R_2экв = (1 - γ)R_2д в пределах 0 <R_2экв <R_2д и искусственные характеристики 8 и 9 располагаются между гранич­ными.

Таким же образом можно получить характеристики АД при им­пульсном регулировании сопротивления R_1д добавочных резисторов в цепи статора. Включение управляемых ключей параллельно ре­зисторам в схеме, приведенной на рис. 101, б, и их работа с перемен­ным заполнением γ обеспечивает получение искусственных элект­ромеханических и механических характеристик АД в виде кривых, показанных на рис. 101, в.

Для улучшения показателей регулиро­вания координат АД импульсным спосо­бом создаются замкнутые ЭП с исполь­зованием различных обратных связей. В результате автоматического регулиро­вания γ механические характеристики АД становятся жесткими.

Замкнутая схема импульсного регулирования скорости АД с по­мощью резистора в цепи ротора. В схеме ЭП (рис. 102) с импульс­ным регулированием сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора для получения жестких характеристик используется отри­цательная обратная связь по скорости двигателя. Схема работает следующим образом. В роторную цепь АД включен неуправляемый трехфазный выпрямитель В, к выходу которого подключен резистор R_2д. Параллельно резистору включен управляемый ключ К, например, сильноточный транзистор. Управление этим ключом происходит от широтно-импульсного модулятора ШИМ, на вход которого поступают сигналы задания U_{з. с} и обратной связи U_oc по скорости. При поступлении на вход блока ШИМ сигнала ошибки

U_у = U_{з. с} - U_oc (239)

он начинает генерировать импульсы управления, которые с помощью схемы управления ключом СУК подаются на управляемый ключ К, вызывая периодическое включение и закорачивание резистора R_2д.

Принцип получения жестких характеристик ЭП соответствует рассмотренному выше механизму действия обратной связи по ско­рости и состоит в следующем. Допустим, что АД работает в уста­новившемся режиме при каком-то значении коэффициента скважности импульсов управления (γ₁) ключа К, т.е. при соответствующем эквивалентном сопротивлении цепи ротора. Пусть по каким-то причинам произошло увеличение мо­мента нагрузки АД, в результате чего начинает снижаться его ско­рость. Тогда в соответствии с формулой (239) сигнал управления U_у начнет повышаться, что вызовет увеличение коэффициента скважности γ импульсов управления ключа К и уменьшение эквивалентного сопротивления в цепи ротора R_2экв= (1 - γ) R_2д. Это в свою очередь, приведет к увеличе­нию тока в роторе и момента АД, а значит, к прекращению сниже­ния скорости, что соответствует получению жестких характерис­тик ЭП (см. рис. 103).

Рис.102. Замкнутая система импульсного регулирования скорости асинхронного ЭП

Для обеспечения регулирования (ограниче­ния) тока и момента двигателя данную схему необходимо допол­нить контуром регулирования тока. В этом случае механические ха­рактеристики будут иметь вертикальный участок, соответствующий заданному уровню ограничения тока и момента.

Использование импульсных способов позволяет в ряде случаев осуществлять регулирование координат ЭП с помощью более про­стых схем управления.

Рис.103. Механические характеристики замкнутого асинхронного ЭП с импульсным регулированием величины резистора в цепи ротора

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте пояснения способу регулирования скорости вращения путем переключения числа полюсов АД.

2. Дайте пояснения каскадному способу регулирования скорости вращения АД.

3. Дайте пояснения способу регулирование скорости АД в каскадных схемах его включения.

4. Дайте пояснения импульсному способу регулирование скорости АД.

5. Приведите принципиальную электрическую схему и механические характеристики импульсного способа регулирования скорости вращения АД.