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.
Регулирование скорости асинхронного двигателя
Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя : изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора
Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = n о (1 — s).
Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.
Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 — 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре
Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя , позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U 1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения .
При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент М кр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения U рет (рис. 3 ), а скольжение от U рег не зависит.
Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора
Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре
Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора
Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.
Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до n кр.
Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.
Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения — асинхронный двигатель (ТРН — АД)
Замкнутая схема управления асинхронным двигателем , выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения — электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения
Так как частота вращения магнитного поля статора n о = 60 f /р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость n о магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.
Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 6.
Рис. 5. Схема частотного электропривода
Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании
С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.
Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 — 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты I вых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов
Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Из выражения n о = 60 f /р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения n о магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.
Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.
Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а — с одинарной звезды на двойную; б — с треугольника на двойную звезду
Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.
Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.
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 Едоб.акт. можно регулировать скорость.
Регулирование фазы позволит регулировать коэффициент мощности, введение добавочной ЭДС под определённым углом позволяет регулировать и КМ.
Основной недостаток состоит в поддержании вводимой Едоб с частотой равной рабочей(f=fр), в практической реализации наибольшее распространение получили схемы введения Едоб в выпрямленную цепь ротора.
В схеме выпрямления при введении Едоб. 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 КМ нельзя. Принцип регулирования скорости: пусть противоэдс равна нулю, цепь замкнута на коротко и двигатель работает на естественной характеристике. При введении Едоб.>Е2ротора выпрямленный мост запирается и ток в роторе становится равным нулю: МАД=0 – двигатель начинает тормозится( 
) при этом 
увеличивается и увеличивается Е2, когда Евыпр.>Едоб. по роторной цепи снова начинает протекать ток и двигатель будет работать на новой мех. характеристике с новым меньшим значением скорости.
Электрический каскад:
Едоб. создаётся инвертором с помощью изменения угла инвертирования( 
).
При Едоб. характеристика имеет большее Sк из-за повышенного сопротивления роторной цепи за счёт выпрямителя, инвертора, и РС. Уменьшение Мк связано с наличием выпрямительного моста, при наличии которого ток не может одновременно протекать по трём фазам(только по двум фазам). Введение Едоб. 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 Рs 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.