Двигуни подвійного живлення

На відміну від схем вентильного каскаду, де потік енергії ковзання спрямований тільки в одну сторону - від ротора двигуна до інвертору і далі в мережу живлення, в схемах двигуна подвійного живлення в коло ротора включається перетворювач (рис.1.5), що забезпечує двосторонній обмін енергією, як від ротора двигуна в мережу живлення, так і від мережі в обмотки ротора асинхронного двигуна.

Таким перетворювачем є перетворювач частоти з безпосереднім зв'язком. При цьому додаткова ЕРС, що вводиться в коло ротора, може бути спрямована:

- проти ЕРС ротора

- згідно ЕРС ротора

- під деяким кутом (π-δ).

В загальному випадку

Струм ротора визначатиметься з рівняння рівноваги напруг в контурі ротора

(1.5)

Активна і реактивна складові струму ротора будуть рівні:

, (1.6)

В цих формулах: E₂, E_2н – поточна і номінальна (при s=1) ЕРС ротора;

Рис. 1.5 Схема двигуна подвійного живлення

Активна складова струму ротора визначає момент двигуна М і механічну потужність двигуна

(1.7)

Реактивна складова струму ротора визначає реактивну потужність, яка циркулює в статорному і роторному колах двигуна

(1.8)

Рівняння (1.6) і (1.8) показують, що регулюючи величину і фазу додатковой напруги U_дод, що вводиться в коло ротора, можна керувати активною та реактивною потужностями двигуна. З цього також випливає, що при відповідних значеннях U₂ і активна складова струму ротора може бути негативна при позитивних ковзаннях s> 0 і позитивна при негативних ковзаннях s <0. Це означає, що в системі подвійного живлення асинхронний двигун може працювати в невластивих йому в звичайних схемах включення режимах: генераторному при швидкості нижче синхронної і двигунному при швидкості вище синхронної. Енергетичні діаграми для зазначених режимів наведені на (рис.1.6).

Рис. 1.6 Енергетичні діаграми двигуна подвійного живлення

Напрямок потоку енергії в режимі генераторного гальмування при швидкості нижче синхронної протилежно тому, яке було у двигунному режимі (рис.1.2). Потужність гальмування Р_мех у розглянутому випадку недостатня для створення електромагнітної потужності Р_ем, тому з мережі через трансформатор і роторний перетворювач забирається і прямує в ротор двигуна недостатня потужність, пропорційно ковзанню . Сума механічної потужності, що надходить з валу, і потужність ковзання утворює електромагнітну потужність, яка рекуперується в живильну мережу. Потужність, що віддається в мережу, дорівнює різниці рекуперуємої потужності, що віддається по колу статора, і потужності, що забирається з боку трансформатора Р_від = Р_рек – Р_тр.

У двигунному режимі при швидкості вище синхронної в роторне коло двигуна додається потужність ковзання, яка забирається з мережі з боку трансформатора. Вона складається з електромагнітної потужністю, що надходить у двигун з боку статора. Сума цих потужностей перетвориться в механічну потужність на валу двигуна, забезпечуючи роботу двигуна з моментом М при швидкості вище синхронної

Зауважимо, що, незважаючи на те, що ковзання в цьому випадку негативне, двигун розвиває двигунний момент.

В обох розглянутих режимах перетворювач частоти працює таким чином, що енергія від трансформатора надходить в ротор двигуна, тобто двигун живиться як з боку статора, так і ротора.

Оскільки частота f₂, ЕРС та струм ротора визначається ковзанням двигуна f₂=f₁s, то і частота додаткової ЕРС, що вводиться в коло ротора, повинна збігатися з частотою ЕРС ротора і змінюватися при зміні ковзання двигуна.

Максимально можливий діапазон регулювання швидкості вниз і вгору від синхронної визначається двома параметрами - можливими максимальними значеннями частоти f₂ і напруги U_2макс на виході перетворювача частоти, що живить коло ротора. Максимальний діапазон регулювання швидкості дорівнюватиме

Абсолютне значення максимального ковзання рівне

Так як перетворювач частоти з безпосереднім зв'язком, як правило, забезпечує регулювання частоти в межах 20Гц (при частоті живлення 50Гц), чому відповідає максимальне ковзання 0,4, то максимальний діапазон регулювання швидкості двигуна подвійного живлення буде дорівнює:

Регулювання швидкості в схемі двигуна подвійного живлення здійснюється зміною величини і знака відносного значення додаткової ЕРС:

при цьому частота на виході перетворювача автоматично підтримується рівної частоті струму ротора. Механічні характеристики двигуна подвійного живлення наведені на (рис.1.7).

Пуск двигуна до значення мінімальної робочої швидкості проводиться так само, як і в схемах вентильного каскаду (рис.1.4).

Основною перевагою схем вентильного каскаду і двигунів подвійного живлення є високий ККД, що зберігається при регулюванні швидкості в заданому діапазоні. Оскільки ці системи регульованого асинхронного привода мають обмежений діапазон регулювання, як правило, не вище 2:1, то ці системи застосовуються, головним чином, для приводу потужних (вище 500кВт) турбомеханізмів: вентиляторів, відцентрових насосів та інших машин.

Рис. 1.7 Механічні характеристики двигуна подвійного живлення

Контрольні запитання.

1. Пояснить роботу схеми вентильного каскаду.

2. Яким чином енергія ковзання інвертується у мережу?

3. Пояснить енергетичну діаграму перетворення енергії каскадною схемою (Рис. 1.1)

4. Накреслить механічні характеристики вентильного каскаду.

5. Яким чином двигун подвійного живлення при негативному ковзанні створює позитивний (двигунний) момент?