Принцип роботи каскадних схем асинхронного привода

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

ЖИТОМИРСЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ

В.С. Конишев

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА

Системи автоматизованого електроприводу

за спеціальними схемами.

Житомир

2013р.

Асинхронні вентильні каскади і двигуни подвійного живлення

Принцип роботи каскадних схем асинхронного привода

Регулювання швидкості асинхронного двигуна в схемах вентильного каскаду і двигуна подвійного живлення проводиться шляхом зміни ковзання двигуна при постійній швидкості обертання електромагнітного поля. Основна ідея — корисне використання потужності ковзання, яка трансформується в коло ротора. З цією метою в коло ротора асинхронного двигуна з фазним ротором вводиться додаткова Е.Р.С. Статорні обмотки двигуна безпосередньо підключаються до мережі живлення.

Рис. 1.1 Схема вентильного каскаду

Схема вентильного каскаду представлена на (рис.1.1). Труднощі корисного використання енергії ковзання полягає в тому, що Е.Р.С. ротора Е₂ і струм ротора l₂ мають частоту, що залежить від ковзання (швидкості) двигуна. У схемах вентильного каскаду струм ротора асинхронного двигуна з фазним ротором випрямляється за допомогою некерованого випрямляча UD1, і вже в коло випрямленого струму ротора вводять додаткову проти Е.Р.С. постійного струму - Е.Р.С. інвертора UD2. Трансформатор ТV служить для узгодження напруги мережі і напруги ротора двигуна.

Таким чином, енергія ковзання, індукована в обмотках ротора, перетворюється на енергію постійного струму і інвертується (віддається) в живильну мережу. Завдяки такому послідовному перетворенню енергії ці системи отримали назву «каскадів». Енергетична діаграма, що характеризує перетворення енергії каскадною схемою, показана на (рис.1.2).

Рис. 1.2. Енергетична діаграма перетворення енергії каскадною схемою

Потужність Р₁, що відбирається по колу статора двигуна з мережі, за вирахуванням втрат в статорі ∆P₁ перетворюється в потужність обертового магнітного поля - електромагнітну потужність Р_ем. Остання поділяється на дві частини: механічну Р_мех, що реалізується на валу асинхронного двигуна, і електричну, яка трансформується в обмотки ротора двигуна - потужність ковзання Р_S. Потужність ковзання, за вирахуванням втрат у роторі двигуна, випрямлячі, інверторі і трансформаторі інвертора, повертається (рекуперується) у мережу – Р_рек. Таким чином потужність, яка споживається приводом з мережі Р_спож дорівнюватиме різниці Р₁-Р_рек. Це визначає високий ККД вентильного каскаду.

Потужність ковзання після випрямлення струму ротора буде

P_s = (k_cxE_pнs - ∆U_y)I_dp (1.1)

де:

s - ковзання;

Е_рн - номінальна (при s = 1) лінійна ЕРС ротора;

I_dp - випрямлений струм ротора; К_cx= 1,35 - коефіцієнт мостової схеми випрямлення;

∆U_y - реактивне падіння напруги, обумовлене комутацією вентилів випрямляча;

(1.2)

Тут індуктивний опір розсіювання фази асинхронного двигуна, приведений до обмотки ротора. Підставляючи (1.1) у (1.2), отримаємо

(1.3)

Момент асинхронного двигуна дорівнює

(1.4)

Рис. 1.3 Механічні характеристики вентильного каскаду

Механічні характеристики мають порівняно високу жорсткість (приблизно всього в 2 рази менше, ніж природна механічна характеристика асинхронного двигуна) і паралельні при збільшення проти-ЕРС інвертора Е_di (у міру зменшення кута управління β). Внаслідок того, що струм ротора несінусоідальний, критичний момент двигуна в схемі каскаду не досягається і максимальний момент складає M_макс=0,83М_ке тобто перевантажувальна здатність асинхронного двигуна у схемі каскаду знижується на 17%.

Принцип регулювання швидкості в розглянутій схемі наступний. Якщо встановити кут керування β = 90°, то проти-ЕРС інвертора Е_di дорівнюватиме нулю. Цій умові відповідає верхня механічна характеристика. Якщо за наявності статичного моменту М_с на валу двигуна зменшити кут β (наприклад встановити β = 60 °), то збільшиться проти-ЕРС інвертора Е_di і вона стане більше, ніж випрямлена ЕРС ротора Е_dp. Тоді струм ротора I_dp зменшиться до нуля (у зворотний бік він піти не може через односторонню провідність випрямляча). Момент двигуна стане рівним нулю, і під дією статичного моменту швидкість двигуна буде зменшуватися і, отже, зростатиме ковзання. У міру зростання ковзання збільшується ЕРС ротора. Коли ковзання стане більше s₀₂ (для розглянутого прикладу), по колу ротора піде струм, і двигун перейде на роботу на механічній характеристиці, відповідної s₀₂. Швидкість двигуна визначатиметься точкою перетину лінії статичного моменту з даною механічною характеристикою. Для подальшого зниження швидкості потрібно ще більш збільшити проти-ЕРС інвертора, тобто зменшити кут β.

Для збільшення швидкості зменшують проти-ЕРС інвертора Е_DI, струм ротора зростає, момент збільшується, і двигун розганяється. У міру збільшення швидкості зменшується випрямлена ЕРС ротора. Розгін двигуна буде відбуватися до тих пір, поки струм не зменшиться до значення, відповідного статичному моменту.

Глибина можливого регулювання швидкості визначається відносним значенням напруги трансформатора U_2T, від величини якого залежить максимальне ковзання s_0makc. Ця обставина визначає доцільність застосування вентильних каскадів для приводу механізмів з вентиляторним характером навантаження (насосів, вентиляторів тощо), для яких не потрібно, як правило, зниження швидкості нижче 50% від номінальної. Тоді трансформатор і інвертор можуть мати потужність в 2 рази менше, ніж потужність асинхронного двигуна, що зменшує вартість електроприводу.

У разі регулювання у схемі каскаду в неповному діапазоні швидкості виникає завдання пуску двигуна на нижньої робочої швидкості в схемі каскаду. Звичайно в цьому випадку використовується схема реостатного пуску.

Одна з можливих схем показана на (рис.1.4). У цій схемі двигун прискорюється при включеному контакторі КМ1 та відключеному КМ2 за схемою реостатного пуску. По досягненні певної швидкості вище, ніж включається контактор КМ2, потім відключається КМ1, і двигун переходить на роботу в схему вентильного каскаду.

Рис. 1.4 Схема пуску вентильного каскаду