Регулирование скорости асинхронных машин изменением напряжения на статоре.

При уменьшении напряжения критическое скольжение не изменяется, а критический момент снижается». Характеристики такого способа регулирования близки к зависимостям, полученным при введении добавочных сопротивлений в статор. Зависимость допустимого момента М_доп=f(ω) определяется по формуле (1.18). Для увеличениями допустимого момента при пониженных скоростях в двигателях с фазным ротором можно ввести добавочные сопротивления в ротор. Энергетические характеристики привода примерно такие же, как и при введении добавочных сопротивлений в статор; со снижением скорости уменьшается КПД и коэффициент мощности установки. Возможно незначительное повышение скорости, выше основной, при возрастании напряжения на статоре, но при этом резко увеличивается насыщение статора и потери в стали.

Если используется автотрансформатор, то при снижении напряжения увеличивается суммарное активное и индуктивное сопротивления статора, а критическое скольжение уменьшается, что еще больше ограничивает М_доп. Диапазон регулирования в такой схеме D = 1,2÷1,3. Практически чаще используется импульсное фазовое регулирование напряжения на статоре [1]. При этом кривая напряжения будет содержать 5, 7, 11 и другие некратные трем нечетные гармоники, которые увеличивают потери привода.

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов машины. Многие механизмы, выполняющие простые технологические или производственные операции, не требуют плавного регулирования скорости. Для них достаточно иметь привод с двумя, тремя ступенями скорости. К их числу относятся грузовые и пассажирские лифты, деревообрабатывающие станки, центробежные сепараторы и другие машины.

В этом случае в приводе можно использовать многоскоростные асинхронные двигатели. Такие двигатели имеют два конструктивных исполнения: с уложенными в одни пазы статора несколькими обмотками на различное число полюсов; с одной обмоткой, допускающей переключение ее секций, что образует различное число пар полюсов. Очевидно, если изменить в асинхронной машине число полюсов статора, то необходимо сделать таким же и число полюсов ротора. Так эта операция совершается автоматически в машинах с ротором в виде «беличьей клетки», то многоскоростные двигатели бывают только короткозамкнутыми.

Рис. 1.2. Схемы соединения секции фазы статора многоскоростного асинхронного двигателя: для получения 2 р = 8 (а) и 2 р = 4 при последовательном (б) и параллельном соединении секций (в).

 

Многоскоростные двигатели с несколькими обмотками в одном пазу статора существенно уступают другой разновидности по габаритам, массе, меньшим значениям КПД и коэффициента мощности. Пример наиболее простого переключения числа пар полюсов статора в отношении 2: 1 приведен на рис. 1.2. Здесь для упрощения изображена обмотка одной фазы статора. Как видно из схем соединения обмоток, меньшее число пар полюсов может быть получено как при последовательном, так и параллельном соединении секций. Поэтому при сопоставлении таких схем предпочтение следует отдать тем из них, при которых обеспечивается нужная зависимость электромагнитного момента от скорости двигателя и минимальная потребность в контактах и выводах, что делает более надежной аппаратуру переключений секций. Регулирование скорости в приводах с многоскоростными двигателями в результате различного включения обмоток, можно производить как в режиме постоянного момента, так и постоянной мощности [1].

Регулирование скорости в каскадных схемах включения асинхронных двигателей. Потери при глубоком регулировании скорости двигателей с фазным ротором равны ∆ р = P _П s. Поэтому их рассеивание в регулировочных резисторах снижает экономические показатели электропривода, особенно в мощных установках. Для устранения этого недостатка используются каскадные включения асинхронных машин.

Каскадными называют такие включения асинхронного двигателя, которые позволяют введением добавочной ЭДС в цепь ротора машины регулировать ее скорость вращения. Одновременно энергия скольжения возвращается в сеть или преобразуется в механическую энергию, передаваемую на вал главного двигателя (рис. 1.3).

Различают каскады постоянного момента и постоянной модно­сти. Эти термины, которыми будем пользоваться в дальнейшем, более точно отражают физическую сущность таких приводов, чем термины: электрический и электромеханический каскад, установленные ГОСТ 16593—79. В каскаде постоянного момента (рис. 1.3, а) мощность Pn (l - s) преобразуется в механиче­скую в рабочей машине РМ, а мощность скольжения PnS асинхронного двигателя (М) передается на кольца однокорного преобразователя ОП. Эта машина со стороны пере­менного тока работает как синхронный двигатель со скоростью ω_оп= f ₁s, а со стороны постоянного тока - как генератор, пита­ющий машину постоянного тока (МПТ), преобразующую мощность скольжения в механическую, передаваемую на вал вспомогательного двигателя (ДАВ), который, работая как асинхрон­ный генератор, отдает мощность скольжения в сеть.

 

 

Рис. 1-3. Электромашинный каскад постоянного момента (а) и постоянной мощности (б)

ОВОП - обмотка возбуждения одноякорного преобразователя; ОВМПТ - обмотка возбуждения машины постоянного тока

 

 

Рис. 1.4. Вентильный каскад постоянного момента (а) и машинно-вентильный каскад постоянной мощности (б) В - выпрямитель; Р - реактор; И - инвертор; Тр - трансформатор

Таким образом, если пренебречь потерями, то уравнение баланса мощности в каскаде может быть представлено выра­жением, что я определяет высокую экономичность этих Установок. В каскаде постоянной мощности (рис. 1.3, б), благодаря механической связи ротора М и якоря МПТ, мощность скольжения передается на вал рабочей машины.

В 1960—1970-х гг. машинные преобразователи энергии скольжения стали заменяться вентильными, в связи с чем появились вентильные и машинно-вентильные каскады (рис. 1.4).

Принцип регулирования скорости в каскадных установках состоит в следующем. Ток в роторе асинхронного двигателя при введении добавочной ЭДС I₂ = (E₂s-E_доб.)/z₂. Если Eдоб = 0, то ток ротора I₂ создаст электромагнитный момент, уравновешивающий статический момент Мс, приложенный к валу двигателя, который и будет работать со скольжением S₁. При введении Едоб>0 уменьшается разность ЭДС, действующих в роторной цепи. В связи с этим уменьшается ток I₂ и электромагнитный момент двигателя. В результате нарушения равновесия моментов ротор М замедляет свое вращение, растет скольжение, достигая значения S₂ > S_е, и возрастает ток ротора I₂ до прежнего значения, при котором происходит уравновешивание электромагнитного и статического моментов [2]. Но скорость вращения ротора по окончании переходного режима установится меньше начальной. Меняя значение и знак добавочно ЭДС, в каскадных схемах можно регулировать скорость вращения ротора до значений, выше и ниже синхронной. Диапазон регулирования скорости (D) в каскадах постоянной мощности (при скорости ниже синхронной) не превышает двух и ограничивается возрастанием мощности вспомогательного двигателя.

В вентильных каскадах постоянного момента можно реализовать двухзонное регулирование скорости (выше и ниже синхронной) и получить D = 8: 1 или даже D = 10:1, но максимальное значение скорости не должно превышать (1,3— 1,4) ω₀.

В современной практике каскадные схемы утратили значение ввиду сложности пусковых режимов, режимов регулирования скорости и получения сверхсинхронных скоростей, а также большой установленной мощности электрооборудования, И основным конкурентом являются системы частотного регулирования скорости асинхронных двигателей. Единственным, а иногда решающим, преимуществом каскадных схем являете сравнительно малая установленная мощность преобразователей, которые выбираются на величину PnS, а в системах частотного управления - на полную мощность.

Применялось много различных схем технической реализации каскадных установок. Например, вместо одноякорного преобразователя можно использовать систему синхронная машина - машина постоянного тока или другие комбинации вспомогательных машин. Наибольшее распространение получили каскадные схемы, реализуемые по схеме Крамера (1903 г.) и Шербиуса (1905г).