Каскадное соединение электрических машин

Каскадное соединение электрическим машин — система для плавного регулирования скорости вращения асинхронного двигателя путем введения в цепь его ротора внешней эдс, направленной согласно или встречно с эдс ротора и имеющей частоту, равную частоте ротора.

Такое соединение машин раньше часто применялось для регулирования скорости асинхронных двигателей средней и большой мощности нереверсивных электроприводов, например, для нереверсивных прокатных станов, крупных воздуходувок, шахтных вентиляторов, центробежных насосов и др.

Все каскадные соединения электрических машин могут быть разделены на 2 основные категории: установки постоянной мощности P=const и установки постоянного момента M=const.

Установки постоянной мощности характеризуются тем, что одна из машин, включенных в каскад с главным асинхронным двигателем, сочленяется механически с валом этого двигателя (рис. 1,а). В установках пост, момента такой механической связи нет и вместо одной добавочной машины обязательно применение по крайней мере двух машин (рис. 1,б). Одна из этих машин — коллекторная постоянного или переменного тока.

Рис. 1. Принципиальные схемы каскадных установок: а — постоянной мощности (P = const), б — постоянного момента (М = const).

Для создания каскадной установки асинхронного двигателя с машиной постоянного тока необходимо между ротором асинхронного двигателя и якорем машины постоянного тока включить преобразователь энергии скольжения в энергию постоянного тока.

В зависимости от типа преобразователя изменяется и каскад. Принципиально каждая модификация каскада может быть выполнена как по схеме P=const, так и по схеме M=const.

В каскаде с одноякорным преобразователем (рис. 2) регулирование скорости по условиям работы преобразователя ограничивается пределами от 5 до 45%.

Рис. 2. Принципиальная схема каскада асинхронного двигателя и машины постоянного тока с одноякорным преобразователем (Р = const).

Направление потоков энергии на рис. 1,а и б и на рис. 2 показано для случая регулирования скорости асинхронного двигателя в зоне ниже синхронной, когда вспомогательная коллекторная машина работает в режиме двигателя. Энергия скольжения передается на вал или в сеть.

Работа регулируемого асинхронного двигателя на скорости выше синхронной возможна только при двойном питании: со стороны статора и со стороны ротора (рис. 1, б). При этом преобразователь работает в режиме генератора.

К самым мощным механизмам, требующим электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости, относятся вентиляторы аэродинамических труб. Некоторые аэродинамические трубы требуют электроприводов для вентиляторов 20000, 40000 кВт с регулированием скорости в пределах 1:8 до 1:10 и поддержанием заданной скорости с точностью до долей %. Одним из решений такой задачи явилось применение каскадного соединения электрических машин.

Большая мощность регулируемого агрегата и широкие пределы изменения частоты ротора асинхронного двигателя сделали невозможным использование одноякорного преобразователя или применение системы генератор — двигатель, т. к. машина постоянного тока не может быть выполнена с мощностью в одном якоре выше 7000 кВт. В подобных установках в качестве преобразователя используется двухмашинный агрегат, состоящий из синхронного двигателя и генератора пост, тока (рис. 3).

Схема каскада асинхронного двигателя и машины постоянного тока с двигатель-генераторным преобразователем

Каскад состоит: из главного регулируемого асинхронного двигателя с фазным ротором, агрегата переменной скорости, агрегата постоянной скорости. Регулирование скорости осуществляется изменением возбуждения.

Каскадные схемы электропривода

Управление асинхронным двигателем путем изменения сопро­тивления цепи ротора связано с потерями электроэнергии про­порциональными скольжению (Δp = Mωs), которые расходуются на нагревание, в основном, регулировочного реостата.

Каскадные схемы асинхронного привода позволяют исполь­зовать потери скольжения. В каскадных схемах в цепь ротора асинхронного двигателя вводят добавочную э. д. с. Е_доб, на­правленную согласно или встречно э. д. с. ротора Е₂ и имею­щую одинаковую с ней частоту. Ток ротора

где Е_2ном — э. д. с. ротора при ω=0;Z₂ — полное сопротивление цепи ротора.

Согласно уравнению (7.8), при совпадении по фазе э. д. с, Е_доб и Е_2ном ток ротора увеличивается, возрастает вращающий момент двигателя и увеличивается скорость вращения. Если э. д. с. Е_доб. и Е_2ном находятся в противофазе (Е_доб со знаком минус), ток ротора уменьшается, снижается вращающий мо­мент, что приводит к уменьшению скорости двигателя.

Таким образом, меняя величину и направление э. д. с, можно регулировать скорость асинхронного двигателя. При этом потери скольжения могут быть преобразованы в механи­ческую энергию, подводимую к валу двигателя, или в электри­ческую энергию, отдаваемую в сеть. В первом случае каскад называется электромеханическим, во втором — электрическим.

Для того чтобы не согласовывать по фазе и частоте Е_доб и Е_2ном, энергию скольжения преобразуют сначала в энергию постоянного тока с помощью вентильного преобразователя. На рис. 7.11 приведены схемы вентильно-машинных каскадов (рис. 7.11, а,б) и асинхронно-вентильного каскада (рис. 7,11, в).

В первых двух схемах для последующего преобразования энер­гии скольжения применяются электрические машины БД, а в третьей — преобразование осуществляется только с помощью вентильных преобразователей В и И (рис. 7.11, в).

В асинхронно-вентильном каскаде добавочная э. д. с. Е_доб создается вентильным преобразователем И, работающим в ре­жиме инвертора и вводится в цепь выпрямленного тока ротора встречно по отношению к э. д. с. Е_в выпрямителя В. Изменяя э. д. с. Е_доб, можно регулировать скорость вращения двига­теля АД.

Электропривод с электромагнитной муфтой скольжения

Схема и механические характеристики электропривода с элек­тромагнитной муфтой скольжения и асинхронным двигателем приведены на рис. 7.12.

С помощью муфты скольжения можно предохранять эле­менты рабочей машины при резких увеличениях нагрузки, регу­лировать скорость, получать специальные характеристики и улучшать пусковые свойства привода с короткозамкнутым асинхронным двигателем.

Муфта скольжения представляет собой электрическую ма­шину, состоящую из индуктора и якоря. Часть муфты, связан­ная с валом двигателя, является ведущей, а соединенная с ва­лом рабочей машины — ведомой. На индукторе располагаются полюса с обмоткой возбуждения, которая получает питание от источника постоянного тока. Якорь представляет собой магнитопровод с размещенной на нем короткозамкнутой обмоткой или массивный стальной сердечник.

Принцип работы муфты аналогичен принципу работы асин­хронного двигателя. Вращающееся магнитное поле, создавае-

мое вращающимся индуктором, пересекая короткозамкнутую обмотку якоря, создает в нем э. д. с. переменного тока; в об­мотке появляется ток, взаимодействие которого с магнитным потоком индуктора создает вращающий момент. Изменяя ток возбуждения, можно получить различные механические харак­теристики привода (рис. 7.12, б), т. е. осуществлять регулиро­вание скорости в довольно широком диапазоне.

Недостатком такого электропривода является низкий к. п. д., равный приблизительно отношению скорости ω ведомого вала к скорости ω₁ ведущего, т. е.

где s — скольжение муфты.

Потери в муфте определяются в основном потерями сколь­жения, которые выделяются в якоре и его нагревают.

ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Общие сведения

Правильный выбор мощности электродвигателя имеет большое значение и во многом определяет первоначальные затраты и эксплуатационные расходы промышленных установок.

При применении двигателей недостаточной мощности не обеспечивается нормальная работа механизма, снижается про­изводительность, возможен быстрый выход из строя двигателя и т. п. Применение двигателей завышенной мощности ведет к увеличению расхода электроэнергии, снижению коэффициента мощности (для асинхронных двигателей), удорожанию уста­новки и т. д.

Правильно выбранный по мощности двигатель должен быть загружен мощностью, близкой к номинальной, и не должен пе­регреваться свыше допустимой температуры. Кроме того, он должен обеспечивать нормальную работу при возможных крат­ковременных перегрузках и удовлетворять условиям пуска. В подавляющем большинстве случаев выбор мощности двига­теля производится по нагреву с последующей проверкой по перегрузочной способности и по условию пуска.

Допустимая температура нагрева двигателя определяется теплостойкостью применяемых изоляционных материалов. Не­обходимо отметить, что с увеличением температуры нагрева двигателя свыше допустимой резко уменьшается срок службы изоляции, а следовательно, и срок службы двигателя. Работа двигателя с нагревом ниже допустимой температуры также не­желательна, так как при этом не будет полностью использо­ваться его мощность.

Изолирующие материалы, применяемые для электрических машин и аппаратов, разделяются по теплостойкости на сле­дующие классы:

Устанавливается также допустимое превышение темпера­туры как разность между предельно допустимой и стандартной температурой окружающей среды τ_доп ≤ θ_доп -θ_ср. Стандарт­ная температура θ_ср = 40 °С.

Регулирование скорости АД в каскадных схемах. Электрический каскад

В каскадных схемах регулирование скорости ведётся за счёт введения в роторную цепь АД добавочной ЭДС. Добавочная ЭДС может иметь переменную величину и фазу. Величина добавочной ЭДС определяет уровень скорости АД, а фаза позволяет регулировать коэффициент мощности. При этом энергия скольжения в зависимости от вида каскада(электрического, электромеханического) из роторной цепи передаётся или обратно в питающую сеть(эл. каскад), или на вал двигателя(эл.механич. каскад).

– изменяя Е_{доб.акт.} можно регулировать скорость.

Регулирование фазы позволит регулировать коэффициент мощности, введение добавочной ЭДС под определённым углом позволяет регулировать и К_М.

Основной недостаток состоит в поддержании вводимой Е_доб с частотой равной рабочей(f=f_р), в практической реализации наибольшее распространение получили схемы введения Е_доб в выпрямленную цепь ротора.

В схеме выпрямления при введении Е_доб. Ток в роторе будет всегда отставать от Е₂ и будет пропорционален половине угла коммутации вентилей и зависит от нагрузки:

В этой схеме ток всегда отстающий и К_М нельзя. Принцип регулирования скорости: пусть противоэдс равна нулю, цепь замкнута на коротко и двигатель работает на естественной характеристике. При введении Е_доб.>Е_{2ротора} выпрямленный мост запирается и ток в роторе становится равным нулю: М_АД=0 – двигатель начинает тормозится( ) при этом увеличивается и увеличивается Е₂, когда Е_выпр.>Е_доб. по роторной цепи снова начинает протекать ток и двигатель будет работать на новой мех. характеристике с новым меньшим значением скорости.

Электрический каскад:

Е_доб. создаётся инвертором с помощью изменения угла инвертирования( ).

При Е_доб. характеристика имеет большее S_к из-за повышенного сопротивления роторной цепи за счёт выпрямителя, инвертора, и РС. Уменьшение М_к связано с наличием выпрямительного моста, при наличии которого ток не может одновременно протекать по трём фазам(только по двум фазам). Введение Е_доб. эффективно введению реактивного сопротивления в роторную цепь. Мощность, передаваемая из роторной цепи АД обратно в питающую цепь, пропорциональна мощности скольжения:

– минимальная скорость в заданном диапазоне регулирования.

Мощность скольжения Р_s определяет величину мощности инвертора при заданном диапазоне регулирования скорости.

Величину момента, развиваемого АД, статорная цепь которого питается от сети постоянного напряжения, выражается: ; ;

, т.о. каскад — регулирование скорости с постоянным моментом.

1) Д=8(разомкнутая система)

2) Плавность высокая

3) КПД высокий, из-за возвращения энергии скольжения обратно в сеть

4) Коэффициент мощности высокий

Применяется на компрессорных станциях, водоснабжении.