на чем основан принцип действия каскадных электроприводов

3.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ КАСКАДОВ

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

где Z – полное сопротивление роторной цепи.

Из записанного выражения следует, что изменяя величину Е_доб, 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 Е_доб, а разность между выпрямленной ЭДС ротора (Е_dp) и Е_доб 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 Е_dp. 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:

где Е_dpo – выпрямленная ЭДС ротора при неподвижном роторе (S = 1); Е_n – ЭДС преобразователя; R_э – эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора.

Для мостовой схемы

где Е_рн – значение ЭДС на кольцах при неподвижном роторе.

Эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора равно:

где m_в – пульсность схемы выпрямителя; R_n – внутреннее сопротивление преобразователя.

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

в асинхронно-вентильном каскаде

где R_т, Х_т – активное и индуктивное сопротивления фазы трансформатора Тр; m_u – пульсность схемы инвертора.

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

где U_dp = E_dрo×S – (m_в/2p)Х_д×I_dp×S – напряжение на выходе выпрямителя при условии пренебрежения падением напряжения на активном сопротивлении двигателя, то есть при (m_в /2p)Х_д× S >> 2R_д.

Выражая из уравнения (3.2) значение скольжения в режиме холостого хода (при I_dp = 0), получим:

Тогда уравнение механической характеристики асинхронного двигателя в каскадной схеме включения может быть получено из уравнения (3.5) при подстановке в него I_dp из уравнения (3.2) и S_о из уравнения (3.6):

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.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Каскадный электропривод

Каскадные электроприводы с асинхронными двигателями с фазным ротором в отличие от асинхронных электроприводов с параметрическими и импульсными способами управления целесообразно применять в установках средней и большой мощности, работающих в продолжительном режиме при относительно небольших диапазонах регулирования. [1]

Каскадные электроприводы позволяют полезно использовать энергию скольжения, повышая при этом эффективность электропривода. Они легко поддаются автоматизации и позволяют обеспечить оптимальный режим работы производственного механизма. [2]

Каскадные электроприводы в зависимости от того, как реализуется энергия скольжения, разделяются на электрические и электромеханические. В электрических каскадах энергия скольжения за вычетом потерь возвращается в питающую сеть. В электромеханических энергия скольжения, преобразованная в механическую энергию, возвращается на вал основного асинхронного двигателя. [3]

Надежная и устойчивая работа каскадного электропривода и системы автоматизации позволяет эксплуатировать подъемную машину без обслуживающего персонала. [7]

При анализе электромеханических переходных процессов в каскадном электроприводе последний удобно представить в виде соединения типовых звеньев САР. [9]

Ранее было показано, что механические характеристики каскадных электроприводов при параметрическом управлении отличаются невысокой жесткостью, ограничивающей общий диапазон регулирования скорости. [10]

В большинстве случаев для различных производственных механизмов должны быть обеспечены более высокие требования в отношении статической и динамической точности, которые достигаются при использовании каскадных электроприводов в замкнутых системах автоматического управления. [12]

Так, например, в США в 1944 г. был построен каскадный электропривод для аэродинамической трубы с главным асинхронным двигателем мощностью 30000 л. с. Работы по исследованию и созданию мощных экономичных регулируемых электроприводов широко проводятся и в настоящее время как в Советском Союзе, так и за рубежом. [14]

Источник

Каскадные схемы электропривода

Управление асинхронным двигателем путем изменения сопро­тивления цепи ротора связано с потерями электроэнергии про­порциональными скольжению (Δp = Mω₀s), 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:

Источник