3.1.    ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Принцип регулирования скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах заключается во введении в роторную цепь добавочной ЭДС (Едоб). Ток ротора в этом случае определяется разностью векторов ЭДС ротора (Е2) и добавочной (Едоб):

,                                                      (3.1)

где Z – полное сопротивление роторной цепи.

Из записанного выражения следует, что изменяя величину Едоб, можно регулировать ток ротора, а следовательно, и момент двигателя, и в конечном итоге, скорость.

Исходя из удобства практической реализации, наиболее целесообразно в цепи ротора суммировать не трёхфазную переменную ЭДС, а ЭДС постоянного тока. С этой целью в цепь ротора двигателя включается выпрямитель. Источником добавочной ЭДС тогда может служить либо машина постоянного тока (вентильно-машинный каскад), либо статический преобразователь, подключённый к питающей сети (вентильный каскад).

В случае, когда вал машины постоянного тока М2 (рис. 3.1, а), которая является источником добавочной ЭДС, соединён с валом регулируемого асинхронного двигателя, каскад называют электромеханическим. Энергия скольжения в электромеханическом каскаде через выпрямитель UZ и двигатель М2 поступает на вал двигателя М1. Регулирование скорости в таком каскаде осуществляется за счёт изменения ЭДС машины М2. Если, например, увеличить поток возбуждения машины М2, то возрастёт значение 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 исключением мощности потерь), передаётся на вал, то в соответствии с зависимостью М = Р/w, 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 (рис. 3.1, б) при снижении скорости не только возрастает перегрузочная способность двигателя, но и снижается

жёсткость характеристик. Другим существенным недостатком, ограничивающим использование электромеханических каскадов, является завышенная мощность машины постоянного тока М2. Это обусловливается тем, что при снижении скорости асинхронного двигателя возрастает ЭДС ротора (Е2), а значит и Еdp. В машине постоянного тока при снижении скорости ЭДС падает, поэтому для сохранения определённого значения разности ЭДС, задающей в соответствии с выражением (3.1) значения тока и момента двигателя, магнитный поток машины М2 должен возрастать не пропорционально снижению скорости, а значительно выше, что, в конечном итоге, требует завышения мощности машины М2. Это завышение примерно пропорционально диапазону регулирования скорости.

В случае, когда машина постоянного тока, создающая добавочную ЭДС, приводится во вращение другим двигателем, подключённым к сети, или же в качестве источника добавочной ЭДС используется статический преобразователь, каскад называется электрическим. Энергия скольжения в таком каскаде через машину постоянного тока и её приводной двигатель или через статический преобразователь возвращается в сеть. Наибольшее применение для регулирования скорости электропривода получил асинхронно-вентильный каскад (АВК), схема которого показана на рис. 3.2, а.

В асинхронно-вентильном каскаде энергия скольжения вначале преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором UZ2 в энергию переменного тока фиксированной частоты. Трансформатор Тр предназначен для согласования выходного напряжения инвертора с напряжением сети. Для регулирования скорости АВК необходимо изменять значение ЭДС инвертора на стороне постоянного тока за счёт изменения угла открывания тиристоров (b). Как следует из анализа механических характеристик каскада (рис. 3.2, б), регулирование скорости в АВК происход
ит при постоянном моменте.

В асинхронно-вентильном каскаде энергия скольжения вначале преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором UZ2 в энергию переменного тока фиксированной частоты. Трансформатор Тр предназначен для согласования выходного напряжения инвертора с напряжением сети. Для регулирования скорости АВК необходимо изменять значение ЭДС инвертора на стороне постоянного тока за счёт изменения угла открывания тиристоров (b).

Как следует из анализа механических характеристик (см. рис. 3.2, б), регулирование скорости в АВК происходит при постоянном моменте.

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 + Idp×Rэ;                                                     (3.2)

Подпись:  

Рис. 3.3. Схема замещения цепи выпрямленного тока ротора
где Еdpo – выпрямленная ЭДС ротора при неподвижном роторе (S = 1); Еn – ЭДС преобразователя; Rэ – эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора.

Для мостовой схемы

Еdpo = 1,35Eрн,

где Ерн – значение ЭДС на кольцах при неподвижном роторе.

Эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора равно:

Rэ = 2Rд+ (mв /2p)Хд×S + Rn.

где mв – пульсность схемы выпрямителя; Rn – внутреннее сопротивление преобразователя.

Для вентильно-машинного каскада Rn принимается равным активному сопротивлению цепи якоря машины М2:

Rn = Rя,

в асинхронно-вентильном каскаде

Rn = 2Rт + (mu/2p)×Хт,                                      (3.3)

где Rт, Хт – активное и индуктивное сопротивления фазы трансформатора Тр; mu – пульсность схемы инвертора.

Соотношение между выпрямленным током (Idp) и моментом двигателя может быть найдено из уравнения потерь в роторной цепи двигателя:

DP2 = М× wо× S = Udp×Idp;                                             (3.4)

где Udp = Edрo×S – (mв/2p)Хд×Idp×S – напряжение на выходе выпрямителя при условии пренебрежения падением напряжения на активном сопротивлении двигателя, то есть при (mв /2p)Хд× S >> 2Rд.

Отсюда

М = .                                     (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 асинхронного двигателя в каскадной схеме включения может быть получено из уравнения (3.5) при подстановке в него Idp из уравнения (3.2) и Sо из уравнения (3.6):

.                            (3.7)

Из анализа уравнения (3.7) следует, что механические характеристики в разомкнутой системе АВК имеют низкую жёсткость, что существенно снижает возможный диапазон регулирования скорости. Для повышения жёсткости характеристик и расширения диапазона регулирования скорости на базе АВК строят замкнутые системы.