Регулирование скорости асинхронных двигателей в каскадных схемах

А. Принцип действия

По предложенной классификации каскадное регулирование скорости асинхронных двигателей относится к регулированию при плавном изменении скорости идеального холостого хода (w₀=var). В каскадных схемах регулируется мощность скольжения (рис.8.45), которая или возвращается в электрическую сеть или превращается в механическую мощность, передаваемую на вал главного двигателя. По способу использования мощности скольжения различают электромеханический и электрический каскады. В электромеханических каскадах мощность скольжения возвращается на вал асинхронного двигателя, а в электрических - в сеть.

По виду преобразовательного устройства каскадные схемы разделяются на: 1) каскады с промежуточным звеном постоянного тока и 2) каскады с непосредственным преобразователем частоты. Преобразовательные устройства могут быть электромашинными или статическими. В настоящее время в электроприводе используют статические преобразовательные устройства, обычно построенные на основе силовых полупроводниковых приборов.

Принцип регулирования скорости АД в каскадных схемах основан на введении добавочной ЭДС Е_g частоты скольжения f₂=f₁s в цепь ротора. В этом случае ток в цепи ротора определяется выражением

(8.284)

а электромагнитный момент

(8.285)

где R₂, X₂ – активное и индуктивное сопротивления фазы ротора;

Е₂ – ЭДС фазы ротора при s=1;

S – скольжение.

Если статический момент постоянный (М_с=const), то введение Е_g со знаком минус приводит к уменьшению тока ротора (и момента), а следовательно, к возрастанию скольжения до значения, при котором наступает равновесие электромагнитного и статического моментов. При согласном введении добавочной ЭДС Е_g (знак плюс) скольжение уменьшается, и равновесие моментов наступает при более высокой скорости. При этом возможна работа АД в двигательном режиме при отрицательном скольжении. Проблема такого регулирования состоит в том, чтобы добавочная ЭДС имела такую же частоту, которую имеет ток ротора. В зависимости от способов создания добавочной ЭДС и введения ее в цепь ротора АД существует много разновидностей каскадных схем. В настоящее время применяются две каскадные схемы: 1) машинно-вентильный (электромеханический) каскад и 2) асинхронно-вентильный (электрический) каскад.

Электромеханический каскад с промежуточным звеном постоянного тока в виде одноякорного преобразователя был предложен Кремером в 1904 году, а электрический каскад с непосредственным электромашинным коллекторным преобразователем частоты предложил Шербиус в 1905 году.

Б. Машинно-вентильный (электромеханический) каскад

В настоящее время электромеханические каскады создаются обычно для однозонного регулирования скорости вниз от основной. Каскад включает неуправляемый (диодный) выпрямитель НВ в роторной цепи, который питает машину постоянного тока МПТ, соединенную с валом асинхронного двигателя АД (рис.8.46). Для сглаживания выпрямленного тока используется дроссель Др.

В соответствии с энергетической диаграммой рис.8.45 полная механическая мощность P_Mx, передаваемая на вал АД, определяется выражением

(8.286)

Мощность скольжения

(8.287)

через цепь постоянного тока также поступает на этот вал. Если пренебречь потерями в цепи постоянного тока (в диодах, дросселе, МПТ), то суммарная мощность на валу электрических машин

(8.288)

не зависит от регулируемого параметра s, т.е. остается постоянной при данной нагрузке. По этому электромеханический каскад называется еще каскадом постоянной мощности.

Энергетическая диаграмма электромеханического каскада с учетом потерь мощности в обмотке ротора DР_пер.2, выпрямителя DР_НВ и машине постоянного тока DР_МПТ показана на рис.8.47. Суммарная механическая мощность (без учета механических потерь) на валу электрических машин составит

(8.289)

Для цепи постоянного тока электромеханического каскада можно составить эквивалентную схему, показанную на рис.8.48. На этой схеме обозначены:

Е_d₀ – максимальное значение выпрямленной ЭДС, которое для трехфазного мостового выпрямителя составляет

(2.290)

где Е₂ – действующее значение фазной ЭДС обмотки ротора при неподвижном роторе и I₂=0;

Е – противо ЭДС машины постоянного тока:

(8.291)

X_g – эквивалентное индуктивное сопротивление, приведенное к цепи постоянного тока:

(8.292)

где

(8.293)

(8.294)

w₁, w₂ – числа витков фазы обмотки статора и ротора;

X₁ – индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора;

(8.295)

R₁, R₂ – активные сопротивления фаз обмотки статора и ротора;

DU_в, DU_щ – падения напряжения на одном диоде и одной щетке МПТ соответственно,

R_др – активное сопротивление дросселя,

R_я – сопротивление обмотки якоря МПТ,

В – идеальный вентиль, показывающий однонаправленное протекание выпрямленного тока.

Обозначим

(8.296)

тогда можно записать выражение для выпрямленного тока

(8.297)

Обозначим

(8.298)

как суммарную противо ЭДС, в результате выражение для выпрямленного тока I_d можно записать в сжатом виде

(8.299)

На основании (8.299) определяем скольжение s₀ и скорость w_0к идеального холостого хода каскада, соответствующие I_d=0:

(8.300)

(8.301)

где w₀ – синхронная угловая скорость АД.

Подставив (8.301) в (8.291) и (8.298), а затем в (8.300), найдем, что скольжение идеального холостого хода каскада

(8.302)

зависит от магнитного потока Ф машины постоянного тока МПТ. Следовательно, с помощью тока возбуждения I_в (см.рис.8.46) можно устанавливать необходимый магнитный поток Ф, а значит s₀, и получать желаемую скорость w_0к идеального холостого хода каскада. Так осуществляется регулирование скорости АД в электромеханическом каскаде.

Электромагнитную мощность Р_эм, которая передается роторной цепи от статора АД, можно выразить через параметры выпрямленного тока:

(8.303)

Выпрямленный ток ротора I_d с учетом (8.296) и (8.299) представим в виде

(8.304)

где

(8.305)

(8.306)

(8.307)

(8.308)

Для дальнейших преобразований обозначили

(8.309)

тогда

(8.310)

и электромагнитная мощность (8.303) с учетом (8.310) получает вид

(8.311)

Обозначим

(8.312)

как абсолютное скольжение, подобно частотному управлению АД, и

(8.313)

тогда (8.311) преобразуется к виду

(8.314)

Максимальное значение Р_m электромагнитная мощность (8.314) принимает при абсолютном скольжении

(8.315)

подстановка которого в (8.314) приводит к результату

(8.316)

Разделив (8.314) на угловую скорость (8.301) идеального холостого хода каскада, получим выражение электромагнитного момента

(8.317)

где

(8.318)

Подобно частотному управлению АД обозначим относительную скорость идеального холостого хода каскада

(8.319)

Теперь текущее значение угловой скорости АД можно записать в виде

(8.320)

а электромагнитный момент (8.317) представить как функцию a и s_a:

(8.321)

где

(8.322)

Зависимости (8.320) и (8.321) представляют собой параметрическое уравнение (параметры a и s_a) семейства механических характеристик электромеханического каскада. Жесткость этих характеристик

(8.323)

зависит от нагрузки (s_a) и относительной скорости a идеального холостого хода каскада. Можно видеть, что с уменьшением a модуль жесткости механических характеристик возрастает. Механические характеристики электромеханического каскада показаны на рис.8.49. При s_a< < s_kn-a механические характеристики каскада можно линеаризовать:

(8.324)

Из (8.324) находим уравнение семейства линеаризованных механических характеристик:

(8.325)

где

(8.326)

b_л – модуль жесткости линеаризованных механических характеристик.

Нижняя граница регулирования скорости в электромеханическом каскаде ограничивается допустимыми габаритами машины постоянного тока. Мощность МПТ определяется мощностью скольжения Р_ск, которая может реализовываться как при максимальном моменте М_max и минимальной скорости w_min, так и при минимальном моменте М_min и максимальной скорости w_max:

(8.327)

Номинальная мощность МПТ будет определяться максимальным (номинальным) моментом и максимальной (номинальной) скоростью:

(8.328)

где Р_{ном АД} – номинальная мощность асинхронного двигателя,

D – диапазон регулирования скорости.

При D=2 номинальная мощность МПТ равна номинальной мощности АД, что практически и ограничивает этой величиной целесообразный диапазон регулирования скорости в электромеханическом каскаде.

Регулирование скорости в каскаде экономичное, поскольку потери мощности в роторной цепи

(8.329)

пропорциональны абсолютному скольжению, плавное и происходит, как следует из проведенного анализа, при постоянной мощности. В номинальном режиме к.п.д. каскада составляет (82¸ 86)%, а коэффициент мощности АД равен 0, 75¸ 0, 85.

Асинхронный двигатель пускается в электромеханическом каскаде с помощью пускового реостата, который не показан на рис.8.46. После пуска АД к выпрямителю роторной цепи подключается МПТ, а затем отключается пусковой реостат и устанавливается необходимое возбуждение МПТ.

Электромеханические каскады применяются для электроприводов средней и большой мощности (большие 200кВт), которые длительно работают и не требуют рекуперативного торможения.

В. Асинхронно-вентильный (электрический) каскад

В электрическом каскаде добавочная ЭДС в цепи выпрямленного тока ротора создается ведомым сетью инвертором ВИ, который через согласующий трансформатор Т_р присоединяется к питающей электрической сети (рис.8.50). Эквивалентная схема асинхронно-вентильного каскада (АВК) приведена на рис.8.51. В дополнение к рис.8.48 здесь обозначено

(8.330)

(8.331)

(8.332)

R_тр, X_тр – активное и индуктивное сопротивления трансформатора Т_р, приведенные ко вторичной обмотке,

w_1тр, w_2тр – числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора Т_р,

m_и – число эквивалентных фаз (пульсов) противо ЭДС инвертора ВИ,

X_и – эквивалентное сопротивление, соответствующее коммутационному падению напряжения в цепи постоянного тока инвертора,

DU_в_å - суммарное падение напряжения на проводящих вентилях выпрямителя и инвертора,

Е_и0 – наибольшее среднее значение инвертируемой ЭДС.

Выпрямленный ток ротора определяется суммарной ЭДС и эквивалентным сопротивлением цепи постоянного тока:

(8.333)

где

(8.334)

(8.335)

a_и – угол открывания вентилей ВИ в инверторном режиме.

Скольжение s₀, соответствующее идеальному холостому ходу двигателя в АВК, находим, приравнивая нулю(8.333):

(8.336)

Выражение для скорости идеального холостого хода w_0к остается прежним (8.301).

В связи с тем что, выпрямленный ток ротора I_d для электромеханического и электрического каскадов определяется одинаковыми выражениями (8.304) и (8.333), все выводы, связанные с определением электромагнитной мощности, будет аналогичными. Различие наступает при определении электромагнитного момента, который для АВК находится делением электромагнитной мощности (8.314) на синхронную угловую скорость w₀:

(8.337)

Поступая аналогично предыдущему, определяем параметрическое уравнение семейства механических характеристик АД в АВК

(8.338)

и модуль жесткости этих характеристик

(8.339)

Анализ (8.339) показывает, что с уменьшением a модуль жесткости механических характеристик уменьшается при одной и той же нагрузке (s_a=const). Поэтому механические характеристики асинхронного двигателя при разных a не будут конгруэнтными, в отличие от характеристик АД при частотном управлении с постоянным магнитным потоком (рис.8.52).

Характеристики (8.338) могут быть линеаризованы при s_a< < s_kn-a с получением уравнения

(8.340)

где

(8.341)

Следует заметить, что из-за значительной величины R₂_E, определяемой (8.335), жесткость механических характеристик асинхронного двигателя в АВК значительно ниже, чем естественной характеристики.

Регулировочные свойства АВК ограничены пределами изменения угла инвертирования a_и_min£ a_и£ 90%. Минимальная величина угла инвертирования ограничена условиями устойчивой работы инвертора и составляет обычно a_и_min³ 20 эл. град.

Регулирование скорости при неуправляемом выпрямителе однозонное, вниз от основной, плавное, экономичное, при постоянном допустимом моменте. Диапазон регулирования обычно D=(1, 5¸ 10): 1. Коэффициент мощности низкий (cosj»0, 25¸ 0, 45), что обусловлено большим потреблением реактивной мощности АД и ВИ, а также искажением кривой тока инвертора. К.п.д. при максимальной скорости находится в пределах (80¸ 90)%. Мощность АВК составляет от сотен кВт до десятков МВт.

Классической областью применения АВК являются турбомеханизмы, но в последние годы найдены и другие направления их полезного использования: нагрузочные стенды, подъемно-транспортные машины, металлорежущие станки, машины бумажного и прокатного производства. Для ликвидации такого недостатка как низкий коэффициент мощности применяют сложные схемы силовых преобразователей и специальные законы управления.

Вентильные каскады используют тогда, когда применение двигателей постоянного тока ограничено величиной Р× w£ (0, 32¸ 0, 37)× .Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют величину Рw в 2¸ 3 раза большую, чем двигатели постоянного тока.

Двухзонное регулирование скорости в АВК требует двухстороннего направления энергии в роторной цепи. Такие режимы реализуются в машине двойного питания (МДП).

Г. Машина двойного питания

Если в роторную цепь асинхронного двигателя с фазным ротором включить преобразователь частоты ПЧ с двухсторонним направлением энергии и системой управления СУ, то получим машину двойного питания (рис.8.53). В качестве преобразователя частоты чаще всего используется непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), частота и амплитуда напряжения на выходе которого могут регулироваться по данному закону с помощью системы управления. НПЧ обеспечивает питание со стороны ротора так, чтобы в машине было создано вращающееся относительно ротора в необходимом направлении круговое магнитное поле с требуемыми по режиму работы амплитудой МДС, частотой и фазой. Преобразователь частоты должен также обеспечить свободный обмен энергией между обмотками ротора и электрической сетью (обычно через трансформатор). Этими свойствами и обладает НПЧ.

Частота тока ротора f₂ связана с частотой тока статора f₁ через скольжение s:

(8.342)

где

(8.343)

На основе (8.342) и (8.343) имеем соотношения:

(8.344)

(8.345)

которые показывают возможность регулирования скорости ротора w изменением частоты f₂ (МДП-двигатель) и стабилизации частоты f₁ при колебаниях скорости ротора (МДП-генератор).

Знак плюс в (8.344) соответствует такому порядку чередования фаз на выходе ПЧ, при котором направление вращения магнитного поля ротора и самого ротора противоположные. При этом угловая скорость ротора w выше синхронной угловой скорости w₀.

Установившийся режим работы МДП описывается векторными уравнениями (2.154), которым соответствует эквивалентная схема рис.2.7. Для построения векторной диаграммы МДП примем, что векторы напряжения статора и ротора комплексной плоскости R_e–I_m имеют такие выражения (рис.8.54):

(8.346)

где

(8.347)

При этом, добавочная ЭДС , которая вводится в цепь ротора, может быть записана в виде

(8.348)

Вектор суммарной ЭДС в принятой системе координат в комплексной плоскости

(8.349)

будет определять вектор приведенного тока ротора :

(8.350)

где

(8.351)

(8.352)

(8.353)

(8.354)

Электромагнитный момент трехфазной МДП

(8.355)

Подставляя (8.351) в (8.355), получаем

(8.356)

В соответствии с эквивалентной схемой рис.2.7 можно найти соотношения между ЭДС Е₁ и напряжением статора U₁:

(8.357)

Преобразуя (8.356) с учетом (8.357) получаем выражение электромагнитного момента МДП:

(8.358)

где

(8.359)

М_К, s_К – критический момент и критическое скольжение трехфазного АД (e=0).

Электромагнитный момент МДП имеет три составляющие. Первая составляющая соответствует обычному асинхронному двигателя, когда отсутствует добавочная ЭДС в цепи ротора (e=0). Вторая составляющая обусловлена добавочной ЭДС, которая вводится в роторную цепь с целью воздействия на скорость двигателя. Третья составляющая связана с воздействием на коэффициент мощности. Как показано в [ ], первая и третья составляющие достигают максимальных значений при скольжении s=±s_К, а вторая- при s=0. В зависимости от режима работы МДП каждая из составляющих может иметь главное значение. Если исследовать на экстремум (8.358), то можно найти, что при скольжении

(8.360)

электромагнитный момент МДП имеет максимальное значение

(8.361)

Скольжение s₀, соответствующее идеальному холостому ходу МДП, находим из (8.358), принимая М=0:

(8.362)

Скорость идеального холостого хода МДП

(8.363)

Если a=0 или a=180°, то воздействие добавочной ЭДС будет только на скорость ротора и, приняв а=0 в (8.358), механические характеристики МДП можно выразить параметрическим уравнением

(8.364)

где

s_a – абсолютное скольжение.

В этом случае при скольжении

(8.365)

или

электромагнитный момент принимает максимальное значение

(8.366)

При 0< a< 180° роторная цепь МДП будет вырабатывать реактивную мощность емкостного характера.

При управлении МДП за независимую переменную можно взять a или s. В связи с этим возможна работа МДП в синхронном или асинхронном режиме. В синхронном режиме скольжение s постоянное, следовательно, скорость ротора w=w₀× (1–s) тоже будет постоянной. Желаемая скорость ротора

обеспечивается заданием величины f₂ частоты тока ротора независимо от величины момента на валу МДП. Необходимая величина электромагнитного момента получается за счет угла q₀ между векторами и , который, в свою очередь, зависит от регулируемого угла a. В синхронном режиме электромагнитный момент обеспечивается или изменением e( ) или при e=const изменением a, что обычно происходит в синхронной машине.

При a=const и =var МДП работает в синхронном режиме при переменном возбуждении. Этот режим определяется U-образными характеристиками. Если s=0, то синхронный режим соответствует обычной синхронной машине.

В асинхронном режиме скольжение s=var, а угол a=const, что выполняется с помощью изменения в зависимости от нагрузки ( /s=const). При =0 и a=0 получаем обычный АД. При a=0 (s₀= –e) МДП работает в надсинхронном режиме, а при a=180° (s₀=e) – в подсинхронном режиме. При a> 0 повышается cosj и критический момент МДП, а при a< 0 эти показатели уменьшаются. Механические характеристики МДП показаны на рис.8.55.

Функциональная схема МДП, которая позволяет получить синхронный и асинхронный режимы работы, приведена на рис.8.56. Регулятор Р управляет преобразователем частоты ПЧ и через него – полем ротора МДП. Регулятор имеет два канала управления, в которых формируется закон управления вектором МДС ротора. Количество выходов регулятора равно количеству обмоток ротора. Для формирования закона управления вектором МДС ротора в регулятор поступают сигналы от датчиков напряжения электрической сети ДНС, датчиков тока ротора ДТР и тока статора ДТС, датчика положения ротора ДПР (в асинхронном режиме) и задающего генератора ЗГ частоты ротора (в синхронном режиме). Датчики ДНС дают информацию о модуле, фазе и частоте напряжения сети , а датчик ДПР – информацию об угловом положении ротора (j) относительно статора и угловой скорости (w) ротора. Задающий генератор ЗГ дает необходимые сведения о векторе напряжения источника независимой частоты.

Если переключатель П находится в положении 1, то функциональная схема соответствует асинхронному режиму МДП, а если в положении 2 – то синхронному.

Одной из проблем применения МДП и каскадных схем в электроприводе является проблема пуска. Это связано с ограниченной мощностью преобразователей частоты и выпрямителей. Применяют реостатный и комбинированный способы пуска асинхронного двигателя. Для реостатного пуска используются сопротивления и индукционные реостаты. Сущностью способа пуска с помощью индукционного реостата состоит в изменении активно-индуктивного сопротивления обмотки, намотанной на стальной сердечник, с изменением частоты, что и происходит в цепи ротора во время пуска. Индукционные реостаты обычно применяют для пуска электроприводов турбомеханизмов.

Для тяжелых условий пуска МДП применяют комбинированный способ. На первом этапе комбинированного пуска обмотку статора МДП замыкают накоротко, а в роторную цепь включают ПЧ, который имеет максимальную частоту, соответствующую половине синхронной скорости АД. С помощью изменения частоты ПЧ от нуля до максимальной разгоняют ротор двигателя до половинной синхронной скорости. Затем статорную обмотку размыкают и подключают на сеть. Частоту ПЧ плавно уменьшают от максимальной до нуля, при этом ротор увеличивает скорость до синхронной. Установленная мощность ПЧ в данном случае равна половине мощности МДП. Этот способ пуска сложный в реализации и связан с индуктированием значительных ЭДС в обмотке ротора при переключении обмотки статора на сеть.

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 13 141516 17 18 Следующая ⇒